Основные химические реакции неорганической химии. Классификация химических реакций. Классификация органических реакций

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

По дисциплине «Общая и неорганическая химия»

Сборник лекций по общей и неорганической химии

Общая и неорганическая химия: учебное пособие/ автор Е.Н.Мозжухина;

ГБПОУ «Курганский базовый медицинский колледж». - Курган: КБМК, 2014. - 340 с.

Печатается по решению редакционно-издательского совета ГАОУ ДПО «Институт развития образования и социальных технологий»

Рецензент: Н.Е. Горшкова- кандидат биологических наук, заместитель директора по ИМР ГБПОУ «Курганский базовый медицинский колледж»

Введение.
РАЗДЕЛ 1. Теоретические основы химии 8-157
1.1. Периодический закон и периодическая система элементом Д.И. Менделеева. Теория строения веществ.
1.2.Электронное строение атомов элементов.
1.3. Виды химической связи.
1..4 Строение веществ неорганической природы
1 ..5 Классы неорганических соединений.
1.5.1. Классификация, состав, номенклатура оксидов, кислот, оснований Способы получения и их химические свойства.
1.5.2 Классификация, состав, номенклатура солей. Способы получения и их химические свойства
1.5.3. Амфотерность. Химические свойства амфотерных йксидов и гидроксидов. Генетическая связь между классами неорганических соединений.
1..6 Комплексные соединения.
1..7 Растворы.
1.8. Теория электролитической диссоциации.
1.8.1. Электролитическая диссоциация. Основные положения. ТЭД. Механизм диссоциации.
1.8.2. Ионные реакции обмена. Гидролиз солей.
1.9. Химические реакции.
1.9.1. Классификация химический реакций. Химическое равновесие и смещение.
1.9.2. Окислительно-восстановитьельные реакции. Их электронная сущность. Классификация и составление уравнений ОВР.
1.9.3. Важнейшие окислители и восстановители. ОВР с участием дихромата, перманганата калия и разбавленных кислот.
1.9.4 Методы расстановки коэффициентов в ОВР
РАЗДЕЛ 2. Химия элементов и их соединений.
2.1. Р -элементы.
2.1.1. Общая характеристика элементов VII группы периодической системы. Галогены. Хлор, его физические и химические свойства.
2.1.2. Галогениды. Биологическая роль галогенов.
2.1.3. Халькогены. Общая характеристика элементов VI группы ПС Д.И. Менделеева. Соединения кислорода.
2.1.4. Важнейшие соединения серы.
2.1.5. Главная подгруппа V группы. Общая характеристика. Строение атома, физические и химические свойства азота. Важнейшие соединения азота.
2.1.6. Строение атома фосфора, его физические и химические свойства. Аллотропия. Важнейшие соединения фосфора.
2.1.7. Общая характеристика элементов IV группы главной подгруппы периодической системы Д.И. Менделеева. Углерод и кремний.
2.1.8. Главная подгруппа III группы периодической системы Д.И. Менделеева. Бор. Алюминий.
2.2. s - элементы.
2.2.1. Общая характеристика металлов II группы главной подгруппы периодической системы Д.И. Менделеева. Щелочно­земельные металлы.
2.2.2. Общая характеристика элементов I группы главной подгруппы периодический системы Д.И. Менделеева. Щелочные металлы.
2.3. d-элементы.
2.3.1. Побочная подгруппа I группы.
2.3.2.. Побочная подгруппа II группы.
2.3.3. Побочная подгруппа VI группы
2.3.4. Побочная подгруппа VII группы
2.3.5. Побочная подгруппа VIII группы

Пояснительная записка

На современном этапе развития общества первостепенной задачей является забота о здоровье человека. Лечение многих заболеваний стало возможным благодаря достижениям химии в области создания новых веществ и материалов.

Не имея глубоких и разносторонних знаний в области химии, не зная значения положительного или отрицательного влияния химических факторов на окружающую среду, не сможешь быть грамотным медицинским работником. Студенты медицинского колледжа должны иметь необходимый минимум знаний по химии.

Данный курс лекционного материала предназначен для студентов, изучающих основы общей и неорганической химии.

Целью данного курса является изучение положений неорганической химии, изложенных на современном уровне знаний; расширение объема знаний с учетом профессиональной направленности. Важным направлением является создание прочной базы, на которой строится преподавание других химических специальных дисциплин (органической и аналитической химии, фармакологии, технологии лекарств).

Предлагаемый материал предусматривает профессиональную ориентацию студентов на связь теоретической неорганической химии со специальными и медицинскими дисциплинами.

Основные задачи учебного курса данной дисциплины заключается в усвоении фундаментальных основ общей химии; в усвоении студентами содержания неорганической химии как науки, объясняющей связь свойств неорганических соединений с их строением; в формировании представлений о неорганической химии как фундаментальной дисциплине, на которой базируются профессиональные знания.

Курс лекций по дисциплине «Общая и неорганическая химия» построен в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта (ФГОС-4) к минимуму уровня подготовки выпускников по специальности 060301 «Фармация» и разработан на основе учебного плана данной специальности.

Курс лекций включает в себя два раздела;

1. Теоретические основы химии.

2. Химия элементов и их соединений: (р- элементы, s- элементы, d-элементы).

Изложение учебного материала представлено в развитии: от наиболее простых понятий к сложным, целостным, обобщающим.

В разделе «Теоретические основы химии» освещены следующие вопросы:

1. Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева и теория строения веществ.

2. Классы неорганических веществ, взаимосвязь между всеми классами неорганических веществ.

3. Комплексные соединения, их использование в качественном анализе.

4. Растворы.

5. Теория электролитической диссоциации.

6. Химические реакции.

При изучении раздела «Химия элементов и их соединений» рассматриваются вопросы:

1. Характеристика группы и подгруппы, в которой находится данный элемент.

2. Характеристика элемента, исходя из его положения в периодической системе, с точки зрения теории строения атома.

3. Физические свойства и распространение в природе.

4. Способы получения.

5. Химические свойства.

6. Важнейшие соединения.

7. Биологическая роль элемента и его применение в медицине.

Особое внимание уделяется лекарственным средствам неорганической природы.

В результате изучения данной дисциплины студент должен знать:

1. Периодический закон и характеристику элементов периодической системы Д.И. Менделеева.

2. Основы теории химических процессов.

3. Строение и реакционную способность веществ неорганической природы.

4. Классификацию и номенклатуру неорганических веществ.

5. Получение и свойства неорганических веществ.

6. Применение в медицине.

1. Классифицировать неорганические соединения.

2. Составлять названия соединений.

3. Устанавливать генетическую связь между неорганическими соединениями.

4. С помощью химических реакций доказывать химические свойства веществ неорганической природы, в том числе лекарственных.

Лекция №1

Тема: Введение.

1. Предмет и задачи химии

2. Методы общей и неорганической химии

3. Фундаментальные теории и законы химии:

а) атомно-молекулярная теория.

б) закон сохранения массы и энергии;

в) периодический закон;

г) теория химического строения.


неорганической химии.

1. Предмет и задачи химии

Современная химия является одной из естественных наук и представляет собой систему отдельных дисциплин: общей и неорганической химии, аналитической химии, органической химии, физической и коллоидной химии, геохимии, космохимии и т.п.

Химия - наука, изучающая процессы превращения веществ, сопровождающиеся изменением состава и структуры, а также взаимные переходы между этими процессами и другими формами движения материи.

Таким образом, главным объектом химии как науки является вещества и их превращения.

На современном этапе развития нашего общества забота о здоровье человека является задачей первостепенной важности. Лечение многих заболеваний стало возможным благодаря достижениям химии в области создания новых веществ и материалов: лекарственных средств, заменителей крови, полимеров и полимерных материалов.

Не имея глубоких и разносторонних знаний в области химии, не понимая значения положительного или отрицательного влияния различных химических факторов на здоровье человека и окружающую его среду, нельзя стать грамотным медицинским работником.

Общая химия. Неорганическая химия.

Неорганическая химия - это наука элементов периодической системы и образованных ими простых и сложных веществ.

Неорганическая химия неотделима от общей химии. Исторически при изучении химического взаимодействия элементов друг с другом были сформулированы основные законы химии, общие закономерности протекания химических реакций, теория химической связи, учение о растворах и многое другое, что составляет предмет общей химии.

Таким образом, общая химия изучает теоретические представления и концепции, составляющие фундамент всей системы химических знаний.

Неорганическая химия давно перешагнула стадию описательной науки и в настоящее время переживает свое «второе рождение» в результате широкого привлечения квантово-химических методов, зонной модели энергетического спектра электронов, открытия валентно-химических соединений благородных газов, целенаправленного синтеза материалов с особыми физическими и химическими свойствами. На основе глубокого изучения зависимости между химическим строением и свойствами она успешно решает главную задачу - создание новых неорганических веществ с заданными свойствами.

2. Методы общей и неорганической химии.

Из экспериментальных методов химии важнейшим является метод химических реакций. Химическая реакция - превращение одних веществ в другие путем изменения состава и химического строения. Химические реакции дают возможность исследовать химические свойства веществ. По химическим реакциям исследуемого вещества можно косвенно судить о его химическом строении. Прямые же методы установления химического строения в большинстве своем основаны на использовании физических явлений.

Также на основе химических реакций осуществляется и неорганический синтез, который за последнее время достиг большого успеха, особенно в получении особо чистых соединений в виде монокристаллов. Этому способствовали применение высоких температур и давлений, глубокого вакуума, внедрение бесконтейнерных способов очистки и т.п.

При проведении химических реакций, а также при выделении веществ из смеси в чистом виде важную роль играют препаративные методы: осаждение, кристаллизация, фильтрование, сублимация, перегонка и т.п. В настоящее время многие из этих классических препаративных методов получили дальнейшее развитие и являются ведущими в технологии получения особо чистых веществ и монокристаллов. Это методы направленной кристаллизации, зонной перекристаллизации, вакуумной сублимации, фракционной перегонки. Одна из особенностей современной неорганической химии это синтез и исследование особо чистых веществ на монокристаллах.

Методы физико-химического анализа широко применяются при изучении растворов и сплавов, когда образующиеся в них соединения трудно или практически невозможно выделить в индивидуальном состоянии. Тогда исследуют физические свойства систем в зависимости от изменения состава. В результате строят диаграмму состав - свойства, анализ который позволяет делать заключение о характере химического взаимодействия компонентов, образование соединений и их свойствах.

Для познания сущности явления одних экспериментальных методов недостаточно, поэтому Ломоносов говорил, что истинный химик должен быть теоретиком. Только через мышление, научную абстракцию и обобщение познаются законы природы, создаются гипотезы и теории.

Теоретическое осмысление опытного материала и создание стройной системы химических знаний в современной общей и неорганической химии базируется на: 1) квантово-механической теории строения атомов и периодической системе элементов Д.И. Менделеева; 2) квантово-химической теории химического строения и учении о зависимости свойств вещества от «его химического строения; 3) учении о химическом равновесии, основанной на понятиях химической термодинамики.

3. Фундаментальные теории и законы химии.

К числу основополагающих обобщений химии и естествознания относятся атомно-молекулярная теория, закон сохранения массы и энергии,

Периодическая система и теория химического строения.

а) Атомно-молекулярная теория.

Создатель атомно-молекулярного изучения и первооткрыватель закона сохранения массы веществ М.В. Ломоносов по праву считается основателем научной химии. Ломоносов четко различал две ступени в строении вещества: элементы (в нашем понимании - атомы) и корпускулы (молекулы). Согласно Ломоносову, молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, а молекулы сложных веществ - из разных атомов. Всеобщее признание атомно-молекулярная теория получила в начале XIX века после утверждения в химии атомистики Дальтона. С тех пор главным объектом исследования химии стали молекулы.

б) Закон сохранения массы и энергии.

В 1760 г. Ломоносов сформулировал единый закон массы и энергии. Но до начала XX в. эти законы рассматривались независимо друг от друга. Химия в основном имела дело с законом сохранения массы вещества (масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции).

Например: 2КСlO 3 = 2 КСl + 3O 2

Слева: 2 атома калия Справа: 2 атома калия

2 атома хлора 2 атома хлора

6 атомов кислорода 6 атомов кислорода

Физика имела дело с законом сохранения энергии. В 1905 г. основоположник современной физики А. Эйнштейн показал, что между массой и энергией существует взаимосвязь, выражаемая уравнением Е = mс 2 , где Е - энергия, m - масса; с - скорость света в вакууме.

в) Периодический закон.

Важнейшая задача неорганической химии заключается в изучении свойств элементов, в выявлении общих закономерностей их химического взаимодействия между собой. Самое крупное научное обобщение в решении этой проблемы сделал Д.И. Менделеев, открывший Периодический закон и его графическое выражение - Периодическую систему. Только вследствие этого открытия стало возможным химическое предвидение, предсказание новых фактов. Поэтому Менделеев является основателем современной химии.

Периодический закон Менделеева является основой естественной
систематики химических элементов. Химический элемент - совокупность
атомов с одинаковым зарядом ядра. Закономерности изменения свойств
химических элементов определяются Периодическим законом. Учение о
строении атомов объяснило физический смысл Периодического закона.
Оказалось, что периодичность изменения свойств элементов и их соединений
зависит от периодически повторяющейся сходной структуры электронной
оболочки их атомов. Химические и некоторые физические свойства зависят от
структуры электронной оболочки, особенно ее наружных слоев. Поэтому
Периодический закон является научной основой изучения важнейших свойств элементов и их соединений: кислотно-основных, окислительно-восстановительных, каталитических, комплексообразовательных, полупроводниковых, металлохимических, кристаллохимических, радиохимических и т.п.

Периодическая система также сыграла колоссальную роль в учении о естественной и искусственной радиоактивности, освобождении внутриядерной энергии.

Периодический закон и Периодическая система беспрерывно развиваются и уточняются. Доказательством тому служит современная формулировка Периодического закона: свойства элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра их атомов. Таким образом, положительный заряд ядра, а не атомная масса, оказался более точным аргументом, от которого зависят свойства элементов и их соединений.

г) Теория химического строения.

Фундаментальная задача химии - изучение зависимости между химическим строением вещества и его свойствами. Свойства вещества являются функцией его химического строения. До A.M. Бутлерова считали, что свойства вещества определяются его качественным и количественным составом. Он впервые сформулировал основное положение своей теории химического строения. Таким образом: химическая натура сложной частицы определяется натурой элементарных составных частиц, количеством их и химическим строением. В переводе на современный язык это означает, что свойства молекулы определяются природой составляющих ее атомов, их количеством и химическим строением молекулы. Первоначально теория химического строения относилась к химическим соединениям, имеющим молекулярную структуру. В настоящее время теория, созданная Бутлеровым, считается общехимической теорией строения химических соединений и зависимости свойств их от химического строения. Эта теория - продолжение и развитие атомно-молекулярного учения Ломоносова.

4. Роль отечественных и зарубежных ученых в развитии общей и

неорганической химии.

п/п Ученые Даты жизни Важнейшие работы и открытия в области химии
1. Авогадро Амедо (Италия) | 1776-1856 Закон Авогадро 1
2. Аррениус Сванте (Швеция) 1859-1927 Теория электролитической диссоциации
3. Бекетов Н.Н. (Россия) 1827-1911 Ряд активности металлов. Основы алюмотермии.
4. Бертолле Клод Луи (Франция) 1748-1822 Условия течения химических реакций. Исследование газов. Бертолетова соль.
5. Берцелиус Иене Якоб (Швеция) 1779-1848 Определение атомных весов элементов. Введение буквенных обозначений для химических элементов.
6. Бойль Роберт (Англия) 1627-1691 Установление понятия о химическом элементе. Зависимость объемов газов от давления.
7. Бор Нильс (Дания) 1887-1962 Теория строения атома. 1
8. Вант-Гофф Якоб Гендрик (Голландия) 1852-1911 Исследование растворов; один из основателей физической химии и стереохимии.
9. Гей-Люссак Жозеф (Франция) 1778-1850 Газовые законы Гей-Люссака. Исследование бескислородных кислот; технология серной кислоты.
10. Гесс Герман Иванов (Россия) 1802-1850 Открытие основного закона термохимии. Разработка русской химической номенклатуры. Анализ минералов.
11. Дальтон Джон (Англия) 1766-1844 Закон кратных отношений. Введение химических знаков и формул. Обоснование атомной теории.
12. Кюри-Склодовская Мария (Франция, родина Польша) 1867-1934 Открытие полония и радия; изучение свойств радиоактивных веществ. Выделение металлического радия.
13. Лавуазье Антуан Лоран (Франция) 1743-1794 Основание научной химии установление кислородной теории горения, природы воды. Создание учебника химии на основе новых взглядов.
14. Ле Шателье Лун Анри (Франция) 1850-1936 Общий закон смещения равновесия в зависимости от внешних условий (принцип Ле-Шателье)
15. Ломоносов Михаил Васильевич 1741-1765 Закон сохранения массы веществ.
Применение количественных методов в химии; развитие основных положений кинетической теории газов. Основание первой русской химической лаборатории. Составление руководства по металлургии и горному делу. Создание мозаичного производства.
16. Менделеев Дмитрий Иванович (Россия) 1834-1907 Периодический закон и периодическая система химических элементов (1869 г.). Гидратная теория растворов. «Основы химии». Исследование газов, открытие критической температуры и др.
17. Пристли Джозеф (Англия) 1733-1804 Открытие и исследование кислорода, хлористого водорода, аммиака, окиси углерода, окиси азота и др. газов.
18. Резерфорд Эрнест (Англия) 1871-1937 Планетарная теория строения атома. Доказательство самопроизвольного радиоактивного распада с выделением альфа-, бета-, гамма -лучей.
19. Якоби Борис Семенович (Россия) 1801-1874 Открытие гальванопластики и внедрение ее в практику типографского и монетного дела.
20. И другие

Вопросы для самоконтроля:

1. Основные задачи общей и неорганической химии.

2. Методы химических реакций.

3. Препаративные методы.

4. Методы физико-химического анализа.

5. Основные законы.

6. Основные теории.

Лекция № 2

Тема: «Строение атома и периодический закон Д.И. Менделеева»

План

1. Строение атома и изотопы.

2. Квантовые числа. Принцип Паули.

3. Периодическая система химических элементов в свете теории строения атома.

4. Зависимость свойств элементов от строения их атомов.

Периодический закон Д.И. Менделеева вскрыл взаимную связь химических элементов. Изучение периодического закона поставило ряд вопросов:

1. В чем причина сходства и различия элементов?

2. Чем объясняется периодическое изменение свойств элементов?

3. Почему соседние элементы одного периода значительно отличаются по свойствам, хотя их атомные массы отличаются на небольшую величину, и наоборот, в подгруппах разница в атомных массах соседних элементов большая, а свойства сходные?

4. Почему расположение элементов в порядке возрастания атомных масс нарушается элементами аргон и калий; кобальт и никель; теллур и йод?

Большинство ученых признавали реальное существование атомов, но придерживались метафизических взглядов (атом самая мельчайшая неделимая частица вещества).

В конце XIX было установлено сложное строение атома и возможность превращения при определенных условиях одних атомов в другие. Первыми обнаруженными в атоме частицами были электроны.

Было известно, что при сильном накаливании и при освещении УФЛ с поверхности металлов отрицательное электронных и металлы заряжаются положительно. В выяснении природы этого электричества большое значение имели работы русского ученого А.Г. Столетова и английского ученого У. Крукса. В 1879 г. Крукс исследовал явления электронных лучей в магнитном и электрическом полях под действием электрического тока высокого напряжения. Свойство катодных лучей приводить в движение тела и испытывать отклонения в магнитном и электрическом полях дало возможность сделать вывод, что это материальные частицы, несущие наименьший отрицательный заряд.

В 1897 г. Дж. Томсон (Англия) исследовал эти частицы и назвал их электронами. Так как электроны могут быть получены независимо от вещества, из которого состоят электроды, то это доказывает, что электроны входят в состав атомов любого элемента.

В 1896 г. А. Беккерель (Франция) открыл явление радиоактивности. Он обнаружил, что соединения урана обладают способностью испускать невидимые лучи, действующие на фотографическую пластинку, завернутую в черную бумагу.

В 1898 г., продолжая исследования Беккереля, М. Кюри-Складовская и П. Кюри открыли в урановой руде два новых элемента – радий и полоний, обладающие очень большой активностью излучения.

радиоактивный элемент

Свойство атомов различных элементов самопроизвольно превращаться в атомы других элементов, сопровождающееся испусканием альфа -, бета - и гамма – лучей, не видимых невооруженным глазом, называется радиоактивностью.

Следовательно, явление радиоактивности является прямым доказательством сложного строения атомов.

Электроны являются составной частью атомов всех элементов. Но электроны заряжены отрицательно, а атом в целом электронейтрален, то, очевидно, внутри атома находится положительно заряженная часть, которая своим зарядом компенсирует отрицательный заряд электронов.

Экспериментальные данные о наличии положительно заряженного ядра и его расположении в атоме были получены в 1911 г. Э. Резерфордом (Англия), который предложил планетарную модель строения атома. Согласно этой модели атом состоит из положительно заряженного ядра, очень малого по размерам. В ядре сосредоточена почти вся масса атома. Атом в целом электронейтрален, следовательно, суммарный заряд электронов должен быть равен заряду ядра.

Исследования Г. Мозли (Англия, 1913 г.) показали, что положительный заряд атома численно равен порядковому номеру элемента в периодической системе Д.И. Менделеева.

Итак, порядковый номер элемента указывает число положительных зарядов ядра атома, а так же число движущихся в поле ядра электронов. В этом заключается физический смысл порядкового номера элемента.

Согласно ядерной модели наиболее просто устроен атом водорода: ядро несет один элементарный положительный заряд и массу, близкую к единице. Оно называется протоном («простейший»).

В 1932 г. физик Д.Н. Чедвик (Англия) установил, что лучи, испускаемые при бомбардировке атома альфа-частицами, обладают огромной проницательной способностью и представляют собой поток электронейтральных частиц – нейтронов.

На основании изучения ядерных реакций Д.Д. Иваненко (физик, СССР, 1932 г.) и одновременно В.Гейзенберг (Германия) сформулировали протонно-нейтронную теорию строения ядер атомов, согласно которой ядра атомов состоят из положительно заряженных частиц-протонов и нейтральных частиц-нейтронов (1 Р) - протон имеет относительную массу 1 и относительный заряд + 1. 1

(1 n) – нейтрон имеет относительную массу 1 и заряд 0.

Таким образом, положительный заряд ядра определяется числом протонов в нем и равен порядковому номеру элемента в ПС; массовое число – А(относительная масса ядра) равно сумме протонов (Z) нейтронов (N) :

A = Z + N; N = A- Z

Изотопы

Атомы одного элемента, имеющие одинаковый заряд ядра и разное массовое число – изотопы. У изотопов одного элемента одинаковое число протонов, но разное число нейтронов.

Изотопы водорода:


1 Н 2 Н 3 Н 3 – массовое число

1 - заряд ядра

протий дейтерий тритий

Z = 1 Z = 1 Z =1

N = 0 N = 1 N = 2

1протон 1 протон 1 протон

0 нейтронов 1 нейтрон 2 нейтрона

Изотопы одного элемента имеют одинаковые химические свойства и обозначаются одним химическим символом, занимают одно место в П.С. Так как масса атома практически равна массе ядра (масса электронов ничтожно мала), то каждый изотоп элемента характеризуется, как и ядро, массовым числом, а элемент атомной массой. Атомная масса элемента – это среднее арифметическое между массовыми числами изотопов элемента с учетом процентного содержания каждого изотопа в природе.

Предложенная Резерфордом ядерная теория строения атома получила широкое распространение, но в дальнейшем исследователи натолкнулись на ряд принципиальных трудностей. Согласно классической электродинамике электрон должен излучать энергию и двигаться не по окружности, а по спиралевидной кривой и в итоге упасть на ядро.

В 20 – х годах XX в. ученые установили, что электрон имеет двойственную природу, обладает свойствами волны и частицы.

Масса электрона равна 1 ___ массы водорода, относительный заряд

равен (-1) . Число электронов в атоме равно порядковому номеру элемента. Электрон движется по всему объему атома, создавая электронное облако с неравномерной плотностью отрицательного заряда.

Представление о двойственной природе электрона привело к созданию квантово-механической теории строения атома (1913 г. , датский ученый Н. Бор). Главный тезис квантовой механики – микрочастицы имеют волновую природу, а волны – свойства частиц. Квантовая механика рассматривает вероятность нахождения электрона в пространстве вокруг ядра. Область наиболее вероятного нахождения электрона в атоме (≈ 90%) называется атомной орбиталью.


Каждый электрон в атоме занимает определенную орбиталь и образует электронное облако, которое является совокупностью различных положений быстро движущегося электрона.

Химические свойства элементов определяются строением электронных оболочек их атомов.


Похожая информация.


Лекция: Классификация химических реакций в неорганической и органической химии

Виды химических реакций в неорганической химии


А) Классификация по количеству начальных веществ:

Разложение – вследствие данной реакции, из одного имеющегося сложного вещества, образуются два или несколько простых, а так же сложных веществ.

Пример: 2Н 2 O 2 → 2Н 2 O + O 2

Соединение – это такая реакция, при которой из двух и более простых, а также сложных веществ, образуется одно, но более сложное.

Пример: 4Al+3O 2 → 2Al 2 O 3

Замещение – это определенная химическая реакция, которая проходит между некоторыми простыми, а так же сложными веществами. Атомы простого вещества, в данной реакции, замещаются на атомы одного из элементов, находящегося в сложном веществе.

Пример: 2КI + Cl2 → 2КCl + I 2

Обмен – это такая реакция, при которой два сложных по строению вещества обмениваются своими частями.

Пример: HCl + KNO 2 → KCl + HNO 2

Б) Классификация по тепловому эффекту:

Экзотермические реакции – это определенные химические реакции, при которых происходит выделение тепла.
Примеры:

S +O 2 → SO 2 + Q

2C 2 H 6 + 7O 2 → 4CO 2 +6H 2 O + Q


Эндотермические реакции – это определенные химические реакции, при которых происходит поглощение тепла. Как правило, это реакции разложения.

Примеры:

CaCO 3 → CaO + CO 2 – Q
2KClO 3 → 2KCl + 3O 2 – Q

Теплота, которая выделяется или поглощается в результате химической реакции, называется тепловым эффектом.


Химические уравнения, в которых указан тепловой эффект реакции, называют термохимическими .


В) Классификация по обратимости:

Обратимые реакции – это реакции, которые протекают при одинаковых условиях во взаимопротивоположных направлениях.

Пример: 3H 2 + N 2 ⇌ 2NH 3

Необратимые реакции – это реакции, которые протекают только в одном направлении, а так же завершающиеся полным расходом всех исходных веществ. При этих реакциях выделяе тся газ, осадок, вода.
Пример: 2KClO 3 → 2KCl + 3O 2

Г) Классификация по изменению степени окисления:

Окислительно - восстановительные реакции – в процессе данных реакций происходит изменение степени окисления.

Пример: Сu + 4HNO 3 → Cu(NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O.

Не окислительно - восстановительные – реакции без изменения степени окисления.

Пример: HNO 3 + KOH → KNO 3 + H 2 O.

Д) Классификация по фазе:

Гомогенные реакции – реакции, протекающие в одной фазе, когда исходные вещества и продукты реакции имеют одно агрегатное состояние.

Пример: Н 2 (газ) + Cl 2 (газ) → 2HCL

Гетерогенные реакции – реакции, протекающие на поверхности раздела фаз, при которых продукты реакции и исходные вещества имеют разное агрегатное состояние.
Пример: CuO+ H 2 → Cu+H 2 O

Классификация по использованию катализатора:

Катализатор – вещество, которое ускоряет реакцию. Каталитическая реакция протекает в присутствии катализатора, некаталитическая – без катализатора.
Пример: 2H 2 0 2 MnO 2 → 2H 2 O + O 2 катализатор MnO 2

Взаимодействие щелочи с кислотой протекает без катализатора.
Пример: КOH + HCl → КCl + H 2 O

Ингибиторы – вещества, замедляющие реакцию.
Катализаторы и ингибиторы сами в ходе реакции не расходуются.

Виды химических реакций в органической химии


Замещение – это реакция, в процессе которой происходит замена одного атома/группы атомов, в исходной молекуле, на иные атомы/группы атомов.
Пример: СН 4 + Сl 2 → СН 3 Сl + НСl

Присоединение – это реакции, при которых несколько молекул вещества соединяются в одну. К реакциям присоединения относятся:

  • Гидрирование – реакция, в процессе которой происходит присоединение водорода по кратной связи.

Пример: СН 3 -СН = СН 2 (пропен) + Н 2 → СН 3 -СН 2 -СН 3 (пропан)

    Гидрогалогенирование – реакция, присоединяющая галогенводород.

Пример: СН 2 = СН 2 (этен) + НСl → СН 3 -СН 2 -Сl (хлорэтан)

Алкины реагируют с галогеноводородами (хлороводородом, бромоводородом) так же, как и алкены. Присоединение в химической реакции проходит в 2 стадии, и определяется правилом Марковникова:


При присоединении протонных кислот и воды к несимметричным алкенам и алкинам атом водорода присоединяется к наиболее гидрогенизированному атому углерода.

Механизм данной химической реакции. Образующийся в 1 - ой, быстрой стадии, p- комплекс во 2 - ой медленной стадии постепенно превращается в s-комплекс - карбокатион. В 3 - ей стадии происходит стабилизация карбокатиона – то есть взаимодействие с анионом брома:

И1, И2 - карбокатионы. П1, П2 - бромиды.


Галогенирование – реакция, при которой присоединяется галоген. Галогенированием так же, называют все процессы, в результате которых в органические соединения вводятся атомы галогена. Данное понятие употребляется в "широком смысле". В соответствии с данным понятием, различают следующие химические реакции на основе галогенирования: фторирование, хлорирование, бромирование, йодирование.

Галогенсодержащие органические производные считаются важнейшими соединениями, которые применяются как в органическом синтезе, так и в качестве целевых продуктов. Галогенпроизводные углеводородов, считаются исходными продуктами в большом количестве реакций нуклеофильного замещения. Что касается практического использования соединений, содержащих галоген, то они применяются в виде растворителей, например хлорсодержащие соединения, холодильных агентов - хлорфторпроизводные, фреоны, пестицидов, фармацевтических препаратов, пластификаторов, мономеров для получения пластмасс.


Гидратация – реакции присоединения молекулы воды по кратной связи.

Полимеризация – это особый вид реакции, при которой молекулы вещества, имеющие относительную невеликую молекулярную массу, присоединяются друг к другу, впоследствии образовывая молекулы вещества с высокой молекулярной массой.

УДК 546(075) ББК 24.1 я 7 0-75

Составители: Клименко B.I канд. техн. наук, доц. Володчснко А Н., канд. техн. наук, доц. Павленко В И., д-р техн. наук, проф.

Рецензент Гикунова И.В., канд. техн. наук, доц.

Основы неорганической химии: Методические указания для студентов 0-75 дневной формы обучения. - Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 2001. - 54 с.

В методических указаниях подробно, с учетом основных разделов общей химии, рассмотрены свойства важнейших классов неорганических веществ.Данная работа содержит обобщения, схемы, таблицы, примеры, что будет способствовать лучшему усвоению обширного фактического материала. Особое внимание как в теоретической, гак и в практической части уделено связи неорганической химии с основными понятиями общей химии.

Книга предназначена для студентов первого курса всех специальностей.

УДК 546(075) ББК 24.1 я 7

© Белгородская государственная технологическая академия строительных материалов (БелГТАСМ), 2001

ВВЕДЕНИЕ

Познание основ любой науки и стоящих перед нею проблем - это тот минимум, который должен знать любой человек, чтобы свободно ориенти­ роваться в окружающем мире. Важную роль в этом процессе играет есте­ ствознание. Естествознание - совокупность наук о природе. Все науки делятся на точные (естественные) и изящные (гуманитарные). Первые изучают законы развития материального мира, вторые - законы развития и проявления человеческого разума. В представленной работе мы ознако­ мимся с основами одной из естественных наук 7 неорганической химии. Успешное изучение неорганической химии возможно лишь при условии знания состава и свойств основных классов неорганических соединений. Зная особенности классов соединений, можно характеризовать свойства их отдельных представителей.

При изучении любой науки, и химии в том числе, всегда встает во­ прос: с чего начать? С изучения фактического материала: описания свойств соединений, указания условий их существования, перечисления реакций, в которые они вступают; на этой базе выводят законы, управ­ ляющие поведением веществ или, наоборот, сначала приводят законы, а затем на их основе обсуждают свойства веществ. В данной книге мы будем использовать оба приема изложения фактического материала.

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

Что же составляет предмет химии, что изучает эта наука? Су­ ществует несколько определений химии.

С одной стороны, химия - это наука о веществах, их свойствах и превращениях. С другой стороны, химия - одна из естественных наук, изучающих химическую форму движения материи. Химическая форма движения материи - это процессы ассоциации атомов в молекулы и диссо­ циации молекул. Химическую организацию материи можно представить следующей схемой (рис. 1 ).

Рис. 1. Химическая организация материи

Материя - это объективная реальность, данная человеку в его ощущениях, которая копируется, фотографируется, отображается нашими ощущениями, существуя независимо от нас. Материя как объективная реальность существует в двух формах: в форме вещества и в форме поля.

Поле (гравитационное, электромагнитное, внутриядерных сил) - это форма существования материи, которая характеризуется и проявляется прежде всего энергией, а не массой, хотя и обладает последней.Энергия - это количественная мера движения, выражающая способность материаль­ ных объектов совершать работу.

Масса (лат. massa - глыба, ком, кусок) - физическая величина, одна из основных характеристик материи, определяющая ее инерционные и гравитационные свойства.

Атом - это низший уровень химической организации материи.Атом - наименьшая частица элемента, сохраняющая его свойства. Он состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов; в целом атом элекгронейтрален.Химический элемент - это вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Известно 109 элементов, из них 90 существует в природе.

Молекула - наименьшая частица вещества, обладающая химиче­ скими свойствами этого вещества.

Число химических элементов ограничено, а их комбинации дают все

многообразие веществ.

Что же такое вещество?

В широком смысле вещество - это конкретный вид материи, обла­ дающий массой покоя и характеризующийся при данных условиях опре­ деленными физическими и химическими свойствами. Известно около 600 тысяч неорганических веществ и около 5 млн органических веществ.

В более узком смысле вещество - это определенная совокупность атомных и молекулярных частиц, их ассоциатов и агрегатов, находя­ щихся в любом из трех агрегатных состояний.

Вещество достаточно полно определяется тремя признаками: 1 ) занимает часть пространства;2 ) обладает массой покоя;

3) построено из элементарных частиц.

Все вещества можно разделить на простые и сложные.

менты образуют не одно, а несколько простых веществ. Такое явле­ ние называется аллотропией, а каждые из этих простых веществ - аллотропным видоизменением (модификацией) данного элемента. Ал­ лотропия наблюдается у углерода, кислорода, серы, фосфора и ряда других элементов. Так, графит, алмаз, карбин и фуллерены - аллотроп­ ные видоизменения химического элемента углерода; красный, белый, черный фосфор - аллотропные видоизменения химического элемента фосфора. Простых веществ известно около 400.

Простое вещество является формой существования химических

элементов в свободном состоянии

Простые вещества делятся на металлы и неметаллы. Принадлежность химического элемента к металлам или неметаллам можно определить, пользуясь периодической системой элементов Д.И. Менделеева. Прежде чем это сделать, давайте немного вспомним строение периодической си­ стемы.

1.1. Периодический закон и периодическая система Д.И.Менделеева

Периодическая система элементов - это графическое выражение периодического закона, открытого Д.И.Менделеевым 18 февраля 1869 г. Периодический закон звучит так: свойства простых веществ, а также свойства соединений, находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов элемента.

Существует более 400 вариантов изображения периодической си­ стемы. Наиболее распространены клеточные варианты (короткий вариант - 8 -клеточный и длинные варианты - 18- и 32-клеточные). Короткопе­ риодная периодическая система состоит из 7 периодов и8 групп.

Элементы, имеющие аналогичное строение внешнего энергетического уровня, объединяются в группы. Различают главные (А) и побочные (В)

группы. Главные группы составляют s- и p-элементы, а побочные -d- элементы.

Период представляет собой последовательный ряд элементов, в ато­ мах которых происходит заполнение одинакового числа электронных слоев одного и того же энергетического уровня. Различие в последовательности заполнения электронных слоев объясняет причину различной длины пе­ риодов. В связи с этим периоды содержат разное количество элементов: 1-й период - 2 элемента; 2-й и 3-й периоды - по8 элементов; 4-й и 5-й

периоды - по 18 элементов и 6 -й период - 32 элемента.

Элементы малых периодов (2 -й и 3-й) выделяют в подгруппу типиче­ ских элементов. Так как уd- и /элементов заполняются 2-й и 3-й снаружи элгк-

лочке их атомов, а следовательно, большая способность к присоедине­ нию электронов (окислительная способность), передаваемая высокими значениями их электроотрицательности. Элементы с неметаллическими свойствами занимают правый верхний угол периодической системы

Д.И.Менделеева. Неметаллы могут бьггь газообразными (F2 , О2 , CI2 ), твердыми (В, С, Si, S) и жидкими (Вг2).

Элемент водород занимает особое место в периодической си­

стеме и не имеет химических аналогов. Водород проявляет металлические

и неметаллические свойства, и поэтому в периодической системе его

помещают одновременно в IA и VIIA группу.

В силу большого своеобразия химических свойств выделяют от­

дельно благородные газы (аэрогены) - элементы VIIIA группы

дической

системы. Исследования последних лет позволяют тем не ме­

нее причислить некоторые из них (Кг, Хе, Rn) к неметаллам.

Характерным свойством металлов является то, что валентные

троны слабо связаны с конкретным атомом, и

внутри каждого

существует так называемый электронный

Поэтому все

обладают

высокой электропроводностью,

теплопроводностью

тичностью. Хотя есть и хрупкие металлы (цинк, сурьма, висмут). Ме­ таллы проявляют, как правило, восстановительные свойства.

Сложные вещества (химические соединения) - это вещества, мо­ лекулы которых образованы атомами различных химических элемен­ тов (гетероатомные или гетероядерные молекулы). Например, С 02, КОН. Известно более 10 млн сложных веществ.

Высшей формой химической организации материи являются ассоциаты и агрегаты. Ассоциаты - это объединения простых молекул или ионов в более сложные, не вызывающие изменения химической при­ роды вещества. Ассоциаты существуют главным образом в жидком и газообразном состоянии, а агрегаты-в твердом.

Смеси - системы, состоящие из нескольких равномерно распреде­ ленных соединений, связанных между собой постоянными соотношения­ ми и не взаимодействующие друг с другом.

1.2. Валентность и степень окисления

Составление эмпирических формул и образование названий хи­ мических соединений основано на знании и правильном использовании понятий степень окисления и валентность.

Степень окисления - эго условный заряд элемента в соединении, вычисленный из предположения, что соединение состоит из ионов. Эго величина условная, формальная, так как чисто ионных соедине­ ний практически нет. Степень окисления по абсолютной величине может быть целым или дробным числом; а по заряду может быть положительной, отрицательной и равной нулю величиной.

Валентность - это величина, определяемая количеством неспарен­ ных электронов на внешнем энергетическом уровне или числом свобод­ ных атомных орбиталей, способных участвовать в образовании химиче­ ских связей.

Некоторые правила определения степеней окисления химических элементов

1. Степень окисления химического элемента в простом веществе

равна 0 .

2. Сумма степеней окисления атомов в молекуле (ионе) равна 0

(заряду иона).

3. Элементы I-III А групп имеют положительную степень окис­ ления, соответствующую номеру группы, в которой находится данный элемент.

4. Элементы IV -V IIА групп, кроме положительной степени окис­ ления, соответствующей номеру группы; и отрицательной степени окис­ ления, соответствующей разнице между номером группы и числом8 , имеют промежуточную степень окисления, равную разности между номером группы и числом2 (табл.1 ).

Таблица 1

Степени окисления элементов IV -V IIА подгрупп

Степень окисления

Промежуточная

5. Степень окисления водорода равна +1, если в соединении есть хотя бы один неметалл; - 1 в соединениях с металлами (гидридах); 0 в Н2.

Гидриды некоторых элементов

ВеН2

NaH MgH2 АШ3

СаН2

GaH3

GeH4

AsH3

SrH2

InH3

SnH4

SbH3

ВаН2

Соединения Н

Промежуточные

Соединения i t

соединения

6 . Степень окисления кислорода, как правило, равна -2, за ис­ ключением пероксидов (-1), надпероксидов (-1/2), озонидов (-1/3), озона (+4), фторида кислорода (+2).

7. Степень окисления фтора во всех соединениях, кроме F2> равна -1. В соединениях с фтором реализуются высшие формы окисления мно­ гих химических элементов (BiF5, SF6, IF?, OsFg).

8 . В периодах орбитальные радиусы атомов с возрастанием по­ рядкового номера уменьшаются, а энергия ионизации возрастает. При этом усиливаются кислотные и окислительные свойства; высшие сте­

пени окисления элементов становятся менее устойчивыми.

9. Для элементов нечетных групп периодической системы харак­ терны нечетные, а для элементов четных групп - четные степени

окисления.

10. В главных подгруппах с возрастанием порядкового номера элемента размеры атомов в общем увеличиваются, а энергия иониза­ ции - уменьшается. Соответственно усиливаются основные и ослабевают окислительные свойства. В подгруппах ^-элементов с увеличением порядкового номера участие «.^-электронов в образовании связей

уменьшается, а следовательно, уменьшается

абсолютное значение степе­

ни окисления (табл. 2 ).

Таблица 2

Значения степеней окисления элементов VA подгруппы

Степень окисления

Li, К, Fe, Ва

Кислотные С 02, S 0 3

Неметаллы

Амфотсрные ZnO ВеО

Амфигены

Двойные Fe304

Be, AL Zn

яолеобразующие

Аэрогены

СО, NO, SiO, N20

Основания Ва(ОН)2

Кислоты HNO3

ГИДРОКСИДЫ

Амфолиты Zti(OH)2

Средние КагСОз,

Кислые МаНКЮз,

Основные (СиОН)гСОз, 4--------

Двойные CaMg(COs)2

Смешанные СаСГСЮ

> w h o w J 3 w »

Рис, 2. Схема важнейших классов неорганических веществ

Курс неорганической химии содержит множество специальных терминов, необходимых для проведения количественных вычислений. Рассмотрим подробно некоторые из ее основных разделов.

Особенности

Неорганическая химия была создана с целью определения характеристики веществ, имеющих минеральное происхождение.

Среди основных разделов данной науки выделяют:

  • анализ строения, физических и химических свойств;
  • взаимосвязь между строением и реакционной способностью;
  • создание новых методов синтеза веществ;
  • разработку технологий очистки смесей;
  • методы изготовления материалов неорганического вида.

Классификация

Неорганическая химия подразделяется на несколько разделов, занимающихся изучением определенных фрагментов:

  • химических элементов;
  • классов неорганических веществ;
  • полупроводниковых веществ;
  • определенных (переходных) соединений.

Взаимосвязь

Неорганическая химия взаимосвязана с физической и аналитической химией, которые обладают мощным набором инструментов, позволяющих проводить математические вычисления. Теоретический материал, рассматриваемый в данном разделе, применяют в радиохимии, геохимии, агрохимии, а также в ядерной химии.

Неорганическая химия в прикладном варианте связана с металлургией, химической технологией, электроникой, добычей и переработкой полезных ископаемых, конструкционных и строительных материалов, очисткой промышленных стоков.

История развития

Общая и неорганическая химия развивалась вместе с человеческой цивилизацией, потому включает в себя несколько самостоятельных разделов. В начале девятнадцатого века Берцелиусом была опубликована таблица атомных масс. Именно этот период стал началом развития данной науки.

В качестве основы неорганической химии выступили исследования Авогадро и Гей-Люссака, касающиеся характеристик газов и жидкостей. Гессу удалось вывести математическую связь между количеством теплоты и агрегатным состоянием вещества, что существенно расширило горизонты неорганической химии. Например, появилась атомно-молекулярная теория, которая ответила на множество вопросов.

В начале девятнадцатого века Дэви сумел разложить электрохимическим способом гидроксиды натрия и калия, открыв новые возможности для получения простых веществ путем электролиза. Фарадей, основываясь на работе Дэви, вывел законы электрохимии.

Со второй половины девятнадцатого века курс неорганической химии существенно расширился. Открытия Вант-Гоффа, Аррениуса, Освальда внесли новые веяния в теорию растворов. Именно в этот временной период был сформулирован закон действующих масс, позволивший проводить различные качественные и количественные вычисления.

Учение о валентности, созданное Вюрцом и Кекуле, позволило найти ответы на многие вопросы неорганической химии, связанные с существованием разных форм оксидов, гидроксидов. В конце девятнадцатого века были открыты новые химические элементы: рутений, алюминий, литий: ванадий, торий, лантан, и др. Это стало возможным после введения в практику методики спектрального анализа. Инновации, появившиеся в тот период в науке, не только объяснили химические реакции в неорганической химии, но и позволили предсказывать свойства получаемых продуктов, области их применения.

К концу девятнадцатого века было известно о существовании 63 различных элементов, а также появились сведения о разнообразных химических веществах. Но из-за отсутствия их полной научной классификации, можно было решать далеко не все задачи по неорганической химии.

Закон Менделеева

Периодический закон, созданный Дмитрием Ивановичем, стал базой для систематизации всех элементов. Благодаря открытию Менделеева, химикам удалось скорректировать представления об атомных массах элементов, предсказать свойства тех веществ, которые еще не были открыты. Теория Мозли, Резерфорда, Бора, придала физическое обоснование периодическому закону Менделеева.

Неорганическая и теоретическая химия

Для того чтобы понять, что изучает химия, нужно рассмотреть основные понятия, включенные в этот курс.

Основным теоретическим вопросом, изучаемым в данном разделе, является периодический закон Менделеева. Неорганическая химия в таблицах, представленная в школьном курсе, знакомит юных исследователей с основными классами неорганических веществ, их взаимосвязью. Теория химической связи рассматривает природу связи, ее длину, энергию, полярность. Метод молекулярных орбиталей, валентных связей, теория кристаллического поля - основные вопросы, позволяющие объяснять особенности строения и свойств неорганических веществ.

Химическая термодинамика и кинетика, отвечающие на вопросы, касающиеся изменения энергии системы, описание электронных конфигураций ионов и атомов, их превращение в сложные вещества, базирующиеся на теории сверхпроводимости, дали начало новому разделу - химии полупроводниковых материалов.

Прикладной характер

Неорганическая химия для чайников предполагает использование теоретических вопросов в промышленности. Именно этот раздел химии стал основой для разнообразных производств, связанных с производством аммиака, серной кислоты, углекислого газа, минеральных удобрений, металлов и сплавов. С помощью химических методов в машиностроении получают сплавы с заданными свойствами и характеристиками.

Предмет и задачи

Что изучает химия? Это наука о веществах, их превращениях, а также областях применения. На данный временной промежуток есть достоверные сведения о существовании порядка ста тысяч разнообразных неорганических соединений. При химических превращениях происходит изменение состава молекул, образуются вещества с новыми свойствами.

Если изучается неорганическая химия с нуля, необходимо сначала познакомиться с ее теоретическими разделами, и только после этого можно приступать к практическому использованию полученных знаний. Среди многочисленных вопросов, рассматриваемых в этом разделе химической науки, необходимо упомянуть атомно-молекулярное учение.

Молекула в нем рассматривается в качестве наименьшей частицы вещества, обладающей его химическими свойствами. Она делимы до атомов, являющихся самыми небольшими частицами вещества. Молекулы и атомы находятся в постоянном движении, для них характерны электростатические силы отталкивания и притяжения.

Неорганическая химия с нуля должна базироваться на определении химического элемента. Под ним принято подразумевать вид атомов, имеющих определенный ядерный заряд, строение электронных оболочек. В зависимости от строения, они способны вступать в разнообразные взаимодействия, образуя вещества. Любя молекула является электрически нейтральной системой, то есть, в полной мере подчиняется всем законам, существующим в микросистемах.

Для каждого элемента, существующего в природе, можно определить количество протонов, электронов, нейтронов. В качестве примера приведем натрий. Число протонов в его ядре соответствует порядковому номеру, то есть, 11, и равно числу электронов. Для вычисления числа нейтронов, необходимо вычесть из относительной атомной массы натрия (23) его порядковый номер, получим 12. Для некоторых элементов были выявлены изотопы, отличающиеся по количеству нейтронов в атомном ядре.

Составление формул по валентности

Чем еще характеризуется неорганическая химия? Темы, рассматриваемые в этом разделе, предполагают составление формул веществ, проведение количественных вычислений.

Для начала проанализируем особенности составления формул по валентности. В зависимости от того, какие элементы будут включены в состав вещества, существуют определенные правила определения валентности. Начнем с составления бинарных соединений. Данный вопрос рассматривается в школьном курсе неорганической химии.

У металлов, располагающихся в главных подгруппах таблицы Менделеева, показатель валентности соответствует номеру группы, является постоянной величиной. Металлы, находящиеся в побочных подгруппах, могут проявлять различные валентности.

Есть некоторые особенности в определении валентности у неметаллов. Если в соединении он располагается в конце формулы, то проявляет низшую валентность. При ее вычислении, из восьми вычитают номер группы, в которой располагается этот элемент. Например, в оксидах, кислорода проявляет валентность два.

Если же неметалл располагается в начале формулы, он демонстрирует максимальную валентность, равную номеру его группы.

Как составить формулу вещества? Есть определенный алгоритм, которым владеют даже школьники. Сначала необходимо записать знаки элементов, упоминаемых в названии соединения. Тот элемент, который в наименовании указывается последним, в формуле располагают на первом месте. Далее над каждым из них ставят, пользуясь правилами, показатель валентности. Между значениями определяют наименьшее общее кратное. При его делении на валентности, получают индексы, располагаемые под знаками элементов.

Приведем в качестве примера вариант составления формулы оксида углерода (4). Сначала располагаем рядом знаки углерода и кислорода, входящие в состав данного неорганического соединения, получаем СО. Поскольку первый элемент имеет переменную валентность, она указана в скобках, у кислорода ее считают, вычитая из восьми шесть (номер группы), получают два. Конечная формула предложенного оксида будет иметь вид СО 2 .

Среди многочисленных научных терминов, используемых в неорганической химии, особый интерес представляет аллотропия. Она поясняет существование нескольких простых веществ, имеющих в основе один химический элемент, отличающийся между собой по свойствам и строению.

Классы неорганических веществ

Существует четыре основных класса неорганических веществ, заслуживающих детального рассмотрения. Начнем с краткой характеристики оксидов. Данный класс предполагает бинарные соединения, в которых обязательно присутствует кислород. В зависимости от того, какой элемент начинает формулу, существует их подразделение на три группы: основные, кислотные, амфотерные.

Металлы, имеющие валентность больше четырех, а также все неметаллы, образуют с кислородом кислотные оксиды. Среди их основных химических свойств, отметим способность взаимодействовать с водой (исключением является оксид кремния), реакции с основными оксидами, щелочами.

Металлы, валентность которых не превышает двух, образуют основные оксиды. Среди основных химических свойств данного подвида, выделим образование щелочей с водой, солей с кислотными оксидами и кислотами.

Для переходных металлов (цинка, бериллия, алюминия) характерно образование амфотерных соединений. Их основным отличием является двойственность свойств: реакции со щелочами и кислотами.

Основаниями называют масштабный класс неорганических соединений, имеющих схожее строение и свойства. В молекулах таких соединений содержится одна либо несколько гидроксильных групп. Сам термин был применен к тем веществам, которые в результате взаимодействия образуют соли. Щелочами называют основания, имеющие щелочную среду. К ним относят гидроксиды первой и второй групп главных подгрупп таблицы Менделеева.

В кислых солях, помимо металла и остатка от кислоты, есть катионы водорода. Например, гидрокарбонат натрия (пищевая сода) является востребованным соединением в кондитерской промышленности. В основных солях вместо катионов водорода находятся гидроксид-ионы. Двойные соли это составная часть многих природных минералов. Так, хлорид натрия, калия (сильвинит) находится в земной коре. Именно это соединение в промышленности используют для выделения щелочных металлов.

В неорганической химии существует специальный раздел, занимающийся изучением комплексных солей. Эти соединения активно участвуют в обменных процессах, происходящих в живых организмах.

Термохимия

Данный раздел предполагает рассмотрение всех химических превращений с точки зрения потери либо приобретения энергии. Гессу удалось установить зависимость между энтальпией, энтропией, и вывести закон, объясняющий изменение температуры для любой реакции. Тепловой эффект, характеризующий количество выделяемой либо поглощаемой энергии в данной реакции, определяется как разность суммы энтальпий продуктов реакций и исходных веществ, взятых с учетом стереохимических коэффициентов. Закон Гесса является основным в термохимии, позволяет проводить количественные расчеты для каждого химического превращения.

Коллоидная химия

Только в двадцатом веке данный раздел химии стал отдельной наукой, занимающейся рассмотрением разнообразных жидких, твердых, газообразных систем. Суспензии, взвеси, эмульсии, отличающиеся по размерам частиц, химических параметрам, подробно изучаются в коллоидной химии. Результаты многочисленных исследований активно внедряются в фармацевтической, медицинской, химической промышленности, дают возможность ученым и инженерам синтезировать вещества с заданными химическими и физическими характеристиками.

Заключение

Неорганическая химия в настоящее время является одним из самых больших разделов химии, содержит огромное количество теоретических и практических вопросов, позволяющих получать представления о составе веществ, их физических свойствах, химических превращениях, основных отраслях применения. При владении основными терминами, законами, можно составлять уравнения химических реакций, осуществлять по ним разнообразные математические вычисления. Все разделы неорганической химии, связанные с составлением формул, записью уравнений реакций, решением задач на растворы предлагаются ребятам на выпускном экзамене.

Занятие 2

Классификация химических реакций в неорганической химии

Химические реакции классифицируют по различным признакам.

    По числу исходных веществ и продуктов реакции

    Разложение – реакция, в которой из одного сложного вещества образуются два и более простых или сложных веществ

2KMnO 4 → K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2

    Соединение – реакция, в результате которой из двух и более простых или сложных веществ, образуется одно более сложное

NH 3 + HCl → NH 4 Cl

    Замещение – реакция, протекающая между простыми и сложными веществами, при которой атомы простого вещества замещаются на атомы одного из элементов в сложном веществе.

Fe + CuCl 2 → Cu + FeCl 2

    Обмен – реакция, при которой два сложных вещества обмениваются своими составными частями

Al 2 O 3 + 3H 2 SO 4 → Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 O

Одна из реакций обмена реакция нейтрализации – это реакция между кислотой и основанием, в результате которой получается соль и вода.

NaOH + HCl → NaCl + H 2 O

    По тепловому эффекту

    Реакции, протекающие с выделением тепла, называются экзотермическими реакциями.

С + О 2 → СО 2 + Q

2) Реакции, протекающие с поглощением тепла, называются эндотермическими реакциями.

N 2 + O 2 → 2NO – Q

    По признаку обратимости

    Обратимые – реакции, проходящие при одних и тех условиях в двух взаимопротивоположных направлениях.

    Реакции, которые протекают только в одном направлении и завершаются полным превращением исходных веществ в конечные, называются необратимыми, при этом должен выделяться газ, осадок, или малодиссоциирующее вещество- вода.

BaCl 2 + H 2 SO 4 → BaSO 4 ↓ + 2HCl

Na 2 CO 3 +2HCl → 2NaCl + CO 2 + H 2 O

    Окислительно-восстановительные реакции – реакции, протекающие с изменением степени окисления.

Са + 4HNO 3 → Ca(NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O

И реакции, протекающие без изменения степени окисления.

HNO 3 + KOH → KNO 3 + H 2 O

5.Гомомгенные реакции, если исходные вещества и продукты реакции находятся в одном агрегатном состоянии. И гетерогенные реакции, если продукты реакции и исходные вещества находятся в разных агрегатных состояниях.

Например: синтез аммиака.

Окислительно-восстановительные реакции.

Различают два процесса:

Окисление – это отдача электронов, в результате степень окисления увеличивается. Атом молекула или ион, отдающий электрон называется восстановителем .

Mg 0 - 2e → Mg +2

Восстановление – процесс присоединения электронов, в результате степень окисления уменьшается. Атом молекула или ион, присоединяющий электрон называется окислителем .

S 0 +2e → S -2

O 2 0 +4e → 2O -2

В окислительно–восстановительных реакциях должно соблюдаться правило электронного баланса (число присоединенных электронов должно быть равно числу отданных, свободных электронов быть не должно). А так же должен соблюдаться атомный баланс (число одноименных атомов в левой части должно быть равно числу атомов в правой части)

Правило написание окислительно-восстановительных реакций.

    Написать уравнение реакции

    Поставить степени окисления

    Найти элементы, у которых изменяется степень окисления

    Выписать попарно их.

    Найти окислитель и восстановитель

    Написать процесс окисление или восстановления

    Уравнять электроны, пользуясь правилом электронного баланса (найти н.о.к.), расставив коэффициенты

    Написать суммарное уравнение

    Поставить коэффициенты в уравнение химической реакции

KClO 3 → KClO 4 + KCl; N 2 + H 2 → NH 3 ; H 2 S + O 2 → SO 2 + H 2 O; Al + O 2 = Al 2 O 3 ;

Сu + HNO 3 → Cu(NO 3) 2 + NO + H 2 O; KClO 3 → KCl + O 2 ; P + N 2 O = N 2 + P 2 O 5 ;

NO 2 + H 2 O = HNO 3 + NO

. Скорость химических реакций. Зависимость скорости химических реакций от концентрации, температуры и природы реагирующих веществ.

Химические реакции протекают с разными скоростями. Изучением скорости химической реакции, а также выявлением её зависимости от условий проведения процесса занимается наука - химическая кинетика.

υ гомогенной реакции определяется изменением количества вещества в единице объёма:

υ =Δ n / Δt ∙V

где Δ n – изменение числа молей одного из веществ (чаще всего исходного, но может быть и продукта реакции), (моль);

V – объем газа или раствора (л)

Поскольку Δ n / V = ΔC (изменение концентрации), то

υ =Δ С / Δt (моль/л∙ с)

υ гетерогенной реакции определяется изменением количества вещества в единицу времени на единице поверхности соприкосновения веществ.

υ =Δ n / Δt ∙ S

где Δ n – изменение количества вещества (реагента или продукта), (моль);

Δt – интервал времени (с, мин);

S – площадь поверхности соприкосновения веществ (см 2 , м 2)

Почему скорость разных реакций не одинакова?

Для того чтобы началась химическая реакция, молекулы реагирующих веществ должны столкнуться. Но не каждое их столкновение приводит к химической реакции. Для того чтобы столкновение привело к химической реакции, молекулы должны иметь достаточно высокую энергию. Частицы, способные при столкновении, вступать в химическую реакцию, называются активными. Они обладают избыточной энергией по сравнению со средней энергией большинства частиц – энергией активации Е акт . Активных частиц в веществе намного меньше, чем со средней энергией, поэтому для начала многих реакций системе необходимо сообщить некоторую энергию (вспышка света, нагревание, механический удар).

Энергетический барьер (величина Е акт ) разных реакций различен, чем он ниже, тем легче и быстрее протекает реакция.

2. Факторы, влияющие на υ (количество соударений частиц и их эффективность).

1) Природа реагирующих веществ: их состав, строение => энергия активации

▪ чем меньше Е акт , тем больше υ;

2) Температура : при t на каждые 10 0 С, υ в 2-4 раза (правило Вант-Гоффа).

υ 2 = υ 1 ∙ γ Δt/10

Задача 1. Скорость некоторой реакции при 0 0 С равна 1 моль/л ∙ ч, температурный коэффициент реакции равен 3. Какой будет скорость данной реакции при 30 0 С?

υ 2 = υ 1 ∙ γ Δt/10

υ 2 =1∙3 30-0/10 = 3 3 =27 моль/л∙ч

3) Концентрация: чем больше, тем чаще происходят соударения и υ . При постоянной температуре для реакции mA + nB = C по закону действующих масс:

υ = k ∙ С A m ∙ C B n

где k – константа скорости;

С – концентрация (моль/л)

Закон действующих масс:

Скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных их коэффициентам в уравнении реакции.

Задача 2. Реакция идет по уравнению А +2В → С. Во сколько раз и как изменится скорость реакции, при увеличении концентрации вещества В в 3 раза?

Решение:υ = k ∙ С A m ∙ C B n

υ = k ∙ С A ∙ C B 2

υ 1 = k ∙ а ∙ в 2

υ 2 = k ∙ а ∙ 3 в 2

υ 1 / υ 2 = а ∙ в 2 / а ∙ 9 в 2 = 1/9

Ответ: увеличится в 9 раз

Для газообразных веществ скорость реакции зависит от давления

Чем больше давление, тем выше скорость.

4) Катализаторы – вещества, которые изменяют механизм реакции, уменьшают Е акт => υ .

▪ Катализаторы остаются неизменными по окончании реакции

▪ Ферменты – биологические катализаторы, по природе белки.

▪ Ингибиторы – вещества, которые ↓ υ

1. При протекании реакции концентрация реагентов:

1) увеличивается

2) не изменяется

3) уменьшается

4) не знаю

2. При протекании реакции концентрация продуктов:

1) увеличивается

2) не изменяется

3) уменьшается

4) не знаю

3. Для гомогенной реакции А+В → … при одновременном увеличении молярной концентрации исходных веществ в 3 раза скорость реакции возрастает:

1) в 2 раза

2) в 3 раза

4) в 9 раз

4. Скорость реакции H 2 + J 2 →2HJ понизится в 16 раз при одновременном уменьшении молярных концентраций реагентов:

1) в 2 раза

2) в 4 раза

5. Скорость реакции CO 2 + H 2 → CO + H 2 O при увеличении молярных концентраций в 3 раза (CO 2) и в 2 раза (H 2) возрастает:

1) в 2 раза

2) в 3 раза

4) в 6 раз

6. Скорость реакции C (T) + O 2 → CO 2 при V-const и увеличении количеств реагентов в 4 раза возрастает:

1) в 4 раза

4) в 32 раза

10. Скорость реакции А+В → … увеличится при:

1) понижении концентрации А

2) повышении концентрации В

3) охлаждении

4) понижении давления

7. Скорость реакции Fe + H 2 SO 4 → FeSO 4 + H 2 выше при использовании:

1) порошка железа, а не стружек

2) железных стружек, а не порошка

3) концентрированной H 2 SO 4 , а не разбавленной H 2 SO 4

4) не знаю

8. Скорость реакции 2H 2 O 2 2H 2 O + O 2 будет выше, если использовать:

1) 3%-й раствор H 2 O 2 и катализатор

2) 30%-й раствор H 2 O 2 и катализатор

3) 3%-й раствор H 2 O 2 (без катализатора)

4) 30%-й раствор H 2 O 2 (без катализатора)

Химическое равновесие. Факторы, влияющие на смещение равновесие. Принцип Ле-Шателье.

Химические реакции по направлению их протекания можно разделить

▪ Необратимые реакции протекают только в одном направлении (реакции ионного обмена с , ↓, мдс, горения и некоторые др.)

Например, AgNO 3 + HCl → AgCl↓ + HNO 3

▪ Обратимые реакции при одних и тех же условиях протекают в противоположных направлениях (↔).

Например, N 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3

Состояние обратимой реакции, при котором υ → = υ ← называется химическим равновесием.

Чтобы реакция на химических производствах проходила как можно полнее, необходимо сместить равновесие в сторону продукта. Для того, чтобы определить, как тот или иной фактор изменит равновесие в системе, используют принцип Ле Шателье (1844 г.):

Принцип Ле Шателье: Если на систему, находящуюся в состоянии равновесия, оказать внешнее воздействие (изменить t, р, С), то равновесие сместится в ту сторону, которая ослабит это воздействие .

Равновесие смещается:

1) при С реаг →,

при С прод ← ;

2) при p (для газов) - в сторону уменьшения объема,

при ↓ р – в сторону увеличения V;

если реакция протекает без изменения числа молекул газообразных веществ, то давление не влияет на равновесие в данной системе.

3) при t – в сторону эндотермической реакции (- Q),

при ↓ t – в сторону экзотермической реакции (+ Q).

Задача 3. Как надо изменить концентрации веществ, давление и температуру гомогенной системы PCl 5 ↔ PCl 3 + Cl 2 – Q , чтобы сместить равновесие в сторону разложения PCl 5 (→)

↓ С (PCl 3) и С (Cl 2)

Задача 4. Как сместиться химическое равновесие реакции 2СО + О 2 ↔ 2СО 2 + Q при

а) повышении температуры;

б) повышении давлении

1. Способ, смещающий равновесие реакции 2CuO(T) + CO Cu 2 O(T) + CO 2 вправо (→), - это:

1) увеличение концентрации угарного газа

2) увеличение концентрации углекислого газа

3) уменьшение концентрации оксида мели (I)

4) уменьшение концентрации оксида меди (II)

2. В гомогенной реакции 4HCl + O 2 2Cl 2 + 2H 2 O при повышении давления равновесие сместится:

2) вправо

3) не сместится

4) не знаю

8. При нагревании равновесие реакции N 2 + O 2 2NO – Q:

1) сместится вправо

2) сместится влево

3) не сместится

4) не знаю

9. При охлаждении равновесие реакции H 2 + S H 2 S + Q:

1) сместится влево

2) сместится вправо

3) не сместится

4) не знаю

  1. Классификация химических реакций в неорганической и органической химии

    Документ

    Задания А 19 (ЕГЭ 2012 г) Классификация химических реакций в неорганической и органической химии . К реакциям замещения относится взаимодействие: 1) пропена и воды, 2) ...

  2. Тематическое планирование уроков химии в 8-11 классах 6

    Тематическое планирование

    1 Химические реакции 11 11 Классификация химических реакций в неорганической химии . (С) 1 Классификация химических реакций в органической химии . (С) 1 Скорость химических реакций . Энергия активации. 1 Факторы, влияющие на скорость химических реакций ...

  3. Вопросы к экзаменам по химии для студентов 1 го курса ну(К)орк фо

    Документ

    Метана, применение метана. Классификация химических реакций в неорганической химии . Физические и химические свойства и применение этилена. Химическое равновесие и условия его...

  4. Рекомендуем почитать