3. Классификация неорганических соединений
При классификации необходимо строго придерживаться признаков, по которым она проводится. Простейшим признаком является состав – атомный или элементный. По атомному составу можно выделить одно-, двух- и т.д. атомные (Не; N 2 и СО; О 3 и NO 2 и т.д., соответственно). То же по элементному составу: одноэлементные (Не, N 2); двухэлементные (СО, СО 2) и т.д.. Кроме того – по названию (виду) одного из элементов или радикалов, входящих в состав ряда соединений: оксиды, сульфиды, гидроксиды, сульфаты и т.д.
По функциональным признакам неорганические соединения подразделяются на классы в зависимости от характерных функций, выполняемых ими в химических ре акциях. Например, широко используется кислотно-основная классификация, связанная с теорией кислот и оснований Аррениуса. В этой теории кислотой называют вещество, которое при диссоциации в воде образует ионы Н + и анионы, основанием – вещество, образующее при этом ионы ОН – и катионы, при взаимодействии кислоты и основания образуется соль и вода. Таким образом, в соответствии с этой теорией выделяют три группы веществ.
В соответствии с этой же теорией любые сложные вещества могут обладать кислотными, основными или амфотерными свойствами.
Кислотные свойства проявляет вещество, если оно при растворении в воде образует кислоту, а в реакциях с другими веществами отдаёт Н + , образует анион и присоединяет катион.
Основные свойства – противоположны кислотным.
Амфотерность – проявление противоположных свойств одним и тем же веществом (в данном случае и кислотных, и основных).
В качестве примеров приведём классификации оксидов, гидроксидов и фторидов по этому признаку.
Сложные вещества
(неорганические)
Оксиды Основания Кислоты Соли
Оксиды - это сложные вещества, в состав которых входят атомы кислорода и какого-либо другого элемента (Э Х О Y ). Степень окисления кислорода в оксидах равна - 2. Например, Fe 2 O 3 - оксид железа (Ш); CгO - оксид хрома (II) или оксид хрома (+2).
По химическим свойствам оксиды различают:
ОКСИДЫ
основные амфотерные кислотные
образуются металлами Al 2 O 3 ,BeO,ZnO,PbO, образуются неметалла-
(MgO;CrO;CuOи др)Cr 2 O 3 ,SnO,SnO 2 ,GeO, ми и металлами в
в степ. окисл. +1, +2GeO 2 ,Sb 2 O 3 ,MnO 2 и др. высш. степ. окисления.
(CO 2 ;P 2 O 5 ;Mn 2 O 7 .)
Основными оксидами называются такие, которые при взаимодействии с кислотами образуют катион в составе соли и воду. Соединения этих оксидов с водой относят к классу оснований (например, оксиду Na 2 O соответствует основание NaOH).
Кислотными оксидами называются такие, которые при взаимодействии с основаниями образуют анион в составе соли и воду. Соединения этих оксидов с водой относят к классу кислот (например, оксиду P 2 O 5 соответствует кислота H 3 PO 4 , а оксиду Cl 2 O 7 - кислота HClO 4).
К амфотерным оксидам относятся такие, которые взаимодействуют с растворами кислот и оснований с образованием соли и воды. Соединения этих оксидов с водой – гидроксиды – могут иметь как кислотные, так и основные свойства (например, амфотерному оксиду ZnO соответствует основание Zn(OH) 2 и кислота H 2 ZnO 2 – изменением порядка записи атомов в формуле часто подчеркивают функцию соединения).
При взаимодействии кислотных и основных оксидов между собой образуется соль, катион которой принадлежит основному, а анион – кислотному оксиду.
Таким образом, характерной особенностью оксидов является способность их к образованию солей. Поэтому такие оксиды относятся к солеобразующим. Наряду с солеобразующими существуют и несолеобразующие, или безразличные, оксиды, которые не образуют кислот и солей. Примером могут служить CO, N 2 O, NO, . SiO .
Если элемент образует оксиды в нескольких степенях окисления , то амфотерные оксиды разделяют основные и кислотные так, что оксиды, соответствующие низшим степеням окисления являются основными, а высшим - кислотными .
Например, марганец образует оксиды:
2 +3 +4 +6 +7
MnO Mn 2 O 3 MnO 2 MnO 3 Mn 2 O 7
основные оксиды амфотерный кислотные оксиды
Для хрома характерны степени окисления: +2, +3 и +6.
Оксиды CrO Cr 2 O 3 CrO 3
основной амфотерный кислотный
Химические свойства оксидов
основные кислотные
1. Основные оксиды взаимодействуют 1. Кислотные оксиды взаимодействуют
с кислотами с образованием соли и воды: с растворимыми основаниями (щелочами)
CuO+H 2 SO 4 =CuSO 4 +H 2 O.cобразованием соли и воды:
CO 2 + 2NaOH=Na 2 CO 3 +H 2 O.
2.Оксиды активных металлов взаимо- 2 Кислотные оксиды взаимодействуют
действуют с водой с образованием водой с образованием кислоты:
щелочи: Li 2 O + H 2 O = 2LiOH. P 2 O 5 + 3H 2 O = 2H 3 PO 4 .
3. Основные и кислотные оксиды взаимодействуют между собой
с образованием соли: CaO + CO 2 = CaCO 3 .
амфотерные
Амфотерные оксиды взаимодействуют как с кислотами, так и с основаниями с образованием соли и воды:
ZnO+ 2HCl=ZnCl 2 +H 2 O;
ZnO+ 2NaOH=Na 2 ZnO 2 +H 2 O
или ZnO + 2NaOH + H 2 O = Na 2 .
По отношению к растворению в воде оксиды (и многие другие вещества) подразделяют на растворимые и нерастворимые. Растворимые оксиды и другие вещества, образующие кислоты, называются ангидридами соответствующих кислот (SO 3 - ангидрид серной кислоты Н 2 SO 4 ; Cl 2 О 7 - ангидрид НСlO 4).
Пример 7. Какие из перечисленных ниже элементов образуют кислотные оксиды:
Na,Zn,Ba,Ti,B? Составьте формулы этих оксидов.
Решение. Из перечисленных элементовNa,Baявляются типичными металлами, поэтому образуют основные оксиды-Na 2 O,BaO;
Znобразует амфотерный оксид формула которого-ZnO;
Бор относится к неметаллам, следовательно, его оксид B 2 O 3 является кислотным.
Титан относится к переходным металлам и может проявлять степени окисления +2 и +4, следовательно, в высшей степени окисления +4 титан образует кислотный оксид TiO 2 .
Пример 8. Для указанных оксидов укажите их характер и напишите формулы соответствующих гидроксидов:CaO,V 2 O 5 ,PbO,Li 2 O.
Решение. СаО-оксид кальция-образован металлом, поэтому имеет основной характер, следовательно, соответствующий ему гидроксид-Са(ОН) 2 ;
V 2 O 5 -оксид ванадия (V)-образован переходным металлом в высшей степени окисления, поэтому является кислотным оксидом (ангидридом). Соответствующий гидроксид-ванадиевая кислота-HVO 3 ;
PbO-оксид свинца-является амфотерным оксидом, поэтому ему соответствует как кислотаH 2 PbO 2 ; так и основание-Pb(OH) 2 .
Li 2 O– оксид лития-является основным оксидом, так как образован металлом и ему соответствует основаниеLiOH.
Пример 9. Приведите три примера реакций между оксидом элемента 2-го периода и оксидом элемента 4-го периода.
Решение. Чтобы прошло взаимодействие между двумя оксидами надо, чтобы один из оксидов был основным (или амфотерным) , а другой-кислотным (или амфотерным). Во втором периодеLi 2 O-основной оксид, ВеО-амфотерный, СО 2 иN 2 O 5 -кислотные. В четвертом периоде К 2 О, СаО,FeO-основные, Сr 2 O 3 -амфотерный,As 2 O 5 ,CrO 3 ,SeO 3 -кислотные оксиды. Уравнения:
СО 2 + К 2 О = К 2 СО 3 ; ВеО + СаО = СаВеО 2 ; 3N 2 O 5 + Сr 2 O 3 = 2Сr(NO 3) 3 .
Гидроксиды - сложные вещества, в состав которых входят одна или несколько гидроксильных групп – Э(ОН) n , ЭО m (OH) n и др.. Такая форма записи применяется, если хотят подчеркнуть основные свойства гидроксида (NaOH, AlO(OH), SO 2 (OH) 2). Если нужно подчеркнуть кислотные свойства, то формулу записывают в другом порядке – Н n ЭО m (HAlO 2 , H 2 SO 4). Амфотерные основания называют амфолитами.
| " |
Простые вещества и химические соединения. Оксиды: основные, кислотные и амфотерные. Номенклатура оксидов. Зависимость кислотно-основного характера оксидов от положения в периодической системе и степени окисления элемента. Химическое взаимодействие между оксидами с образованием солей. Гидроксиды основные и амфотерные, кислоты. Их номенклатура и получение. Соли: нормальные, кислые и основные. Номенклатура солей. Получение и свойства солей.
Номенклатура и свойства комплексных соединений.
Неорганические соединения различают по составу (бинарные и многоэлементные) и функциональным признакам. К бинарным соединениям относят соединения элементов с кислородом (оксиды ), галогенами (галогениды – фториды, хлориды, бромиды, иодиды), халькогенами (халькогениды – сульфиды, селениды, теллуриды), азотом (нитриды), фосфором (фосфиды), углеродом (карбиды), кремнием (силициды ), а также соединения металлов друг с другом (интерметаллиды ) и водородом (гидриды ). Среди многоэлементных соединений выделяют гидроксиды (вещества, содержащие гидроксидные группы - ОН), производные гидроксидов – соли , а также комплексные соединения , гидраты и кристаллогидраты.
В соответствии с правилами ИЮПАК наименование любого вещества должно однозначно указывать на его состав. Поэтому в основу систематических.е. нование любого вещества должно однозначно указывать на его состав, поэтому в основу системаи соединений, нные соотношения названий неорганических веществ положены названия элементов, входящих в их состав.
Название бинарного соединения образуется из латинского корня наименования более электроотрицательного элемента с окончанием –ид и русского наименования менее электроотрицательного элемента в родительном падеже. При написании формулы вещества менее электроотрицательный элемент стоит левее. Например, Al 2 O 3 – оксид алюминия, AgI – иодид серебра, OF 2 – фторид кислорода. Для некоторых элементов корни их русских названий совпадают с корнями латинских, за исключением элементов, представленных ниже в таблице 1:
Таблица 1
Названия химических элементов
| Символьная запись | Русское название | Латинское название |
| Ag | Серебро | Аргент- |
| As | Мышьяк | Арс-, арсен- |
| Au | Золото | Аур- |
| C | Углерод | Карб-, карбон- |
| Cu | Медь | Купр- |
| Fe | Железо | Ферр- |
| H | Водород | Гидр-, гидроген- |
| N | Азот | Нитр- |
| Ni | Никель | Никкол- |
| O | Кислород | Окс-, оксиген- |
| Pb | Свинец | Плюмб- |
| S | Сера | Сульф-, тио- |
| Sb | Сурьма | Стиб- |
| Si | Кремний | Сил-, силиц-, силик- |
| Hg | Ртуть | Меркур- |
| Mn | Марганец | Манган- |
| Sn | Олово | Станн- |
Для обозначения количественного состава используют греческие числительные в качестве приставки, например, Hg 2 Cl 2 – дихлорид диртути, СО – монооксид углерода, СО 2 - диоксид углерода.
Числительные приставки имеют следующие названия:
1 - Моно- 5 - Пента- 9 - Нона-
2 - Ди- 6 - Гекса- 10 - Дека-
3 - Три- 7- Гепта- 11 - Ундека-
4 - Тетра- 8 - Окта- 12- Додека- .
Название многоэлементного соединения отражает его функциональные признаки, такие как принадлежность к гидроксидам или кислотам. Гидрооксиды – это соединения оксидов с водой. Их подразделяют на основные, проявляющие в химических реакциях свойства оснований, кислотные – проявляющие свойства кислот, амфотерные – способные проявлять как кислотные, так и основные свойства.
К классу оснований , согласно теории электролитической диссоциации, относят вещества, способные в водном растворе диссоциировать с образованием гидроксид-ионов ОН - : Наименование основного гидроксида (или основания) образовано из слова «гидроксид» и названия элемента в родительном падеже, после которого при необходимости указывают степень окисления элемента. Например, NaOH – гидроксид натрия, Fe(OH) 2 – гидроксид железа (II) или дигидроксид железа. Общую формулу основания можно записать как М(ОН) m , где М – металл, m- число гидроксильных групп, или кислотность основания .
Вещества, способные диссоциировать в растворе с образованием ионов водорода Н + , в соответствии с теорией электролитической диссоциацией относят к классу кислот .
Кислоты в зависимости от наличия в их составе кислорода подразделяются на кислородсодержащие и на безкислородные . В общем случае формулу кислоты можно записать как Н n А, где А – кислотный остаток, n – число атомов водорода в молекуле, или основность кислоты .
Систематическое название кислоты включает в себя наименование двух частей: электроположительной (атомы водорода) и электроотрицательной (кислотный остаток, анион). В названии аниона вначале указывают атомы кислорода (-оксо-), затем кислотообразующего элемента с добавлением суффикса -ат, далее в скобках абсолютную величину степени окисления этого элемента. Например, H 2 CO 3 – триоксокарбонат (IY) водорода, Н 2 SO 4 – тетраоксосульфат (VI) водорода. При наличии в анионе других атомов название аниона составляют из латинских корней названий соответствующих элементов и соединительной гласной -о- в порядке их размещения в формуле справа налево. Например, H 2 SO 3 (O 2) – пероксотриоксосульфат (VI) водорода, Н 2 SO 3 S – тиотриоксосульфат (VI) водорода. Систематические наименования наиболее употребительных кислот представлены в таблице 3.
Традиционное название состоит из двух слов – прилагательного, производного от корня названия кислотообразующего элемента, и слова «кислота», например, Н 2 SO 4 – серная кислота, НNO 3 – азотная кислота.
Амфотерные гидрооксиды способны диссоциировать в водных растворах как по типу оснований, так и по типу кислот, например,
При взаимодействии с кислотами они проявляют свойства оснований, а при взаимодействии с основаниями – свойства кислот. Их названия составляют по схеме, соответствующей основным гидроксидам.
Таблица 2
Названия важнейших кислот и их солей
| Формула кислоты | Названия | |
| Кислоты | Соли | |
| HAlO 2 | Метаалюминиевая | Метаалюминат |
| HAsO 3 | Метамышьяковая | Метаарсенат |
| H 3 AsO 4 | Ортомышьяковая | Ортоарсенат |
| HAsO 2 | Метамышьяковистая | Метаарсенит |
| H 3 AsO 3 | Ортмышьяковистая | Ортоарсенит |
| HBO 2 | Метаборная | Метаборат |
| H 3 BO 3 | Ортоборная | Ортоборат |
| H 2 B 4 O 7 | Четырёхборная | Тетраборат |
| HBr | Бромводород | Бромид |
| HOBr | Бромноватистая | Гипобромит |
| HBrO 3 | Бромноватая | Бромат |
| HCOOH | Муравьиная | Формиат |
| CH 3 COOH | Уксусная | Ацетат |
| HCN | Циановодород | Цианид |
| H 2 CO 3 | Угольная | Карбонат |
| H 2 C 2 O 4 | Щавелевая | Оксалат |
| HCl | Хлороводород | Хлорид |
| HOCl | Хлорноватистая | Гипохлорит |
| HClO 2 | Хлористая | Хлорит |
| HClO 3 | Хлорноватая | Хлорат |
| HClO 4 | Хлорная | Перхлорат |
| HCrO 2 | Метахромистая | Метахромит |
| H 2 CrO 4 | Хромовая | Хромат |
| H 2 Cr 2 O 7 | Двухромовая | Дихромат |
| HI | Йодоводород | Йодид |
| HOI | Йодноватистая | Гипойодит |
| HIO 3 | Йодноватая | Йодат |
| HIO 4 | Йодная | Перйодат |
| HMnO 4 | Марганцовая | Перманганат |
| H 2 MnO 4 | Марганцовистая | Манганат |
| H 2 MoO 4 | Молибденовая | Молибдат |
| HN 3 | Азидоводород (азотистоводородная) | Азид |
| HNO 2 | Азотистая | Нитрит |
| HNO 3 | Азотная | Нитрат |
| HPO 3 | Метафосфорная | Метафосфат |
| H 3 PO 4 | Ортофосфорная | Ортофосфат |
| H 4 P 2 O 7 | Двуфосфорная (пирофосфорная) | Дифосфат (пирофосфат) |
| H 3 PO 3 | Фосфористая | Фосфит |
| H 3 PO 2 | Фоснофорноватистая | Гипофосфит |
| H 2 S | Сероводород | Сульфид |
| HSCN | Родановодород | Роданид |
| H 2 SO 3 | Сернистая | Сульфит |
| H 2 SO 4 | Серная | Сульфат |
| H 2 S 2 O 3 | Тиосерная | Тиосульфат |
| H 2 S 2 O 7 | Двусерная (пиросерная) | Дисульфат (пиросульфат) |
| H 2 S 2 O 8 | Пероксодвусерная (надсерная) | Пероксидосульфат (персульфат) |
| H 2 Se | Селеноводород | Селенид |
| H 2 SeO 3 | Селенистая | Селенит |
| H 2 SeO 4 | Селеновая | Селенат |
| H 2 SiO 3 | Кремниевая | Силикат |
| HVO 3 | Ванадиевая | Ванадат |
| H 2 WO 4 | Вольфрамовая | Вольфрамат |
Соли представляют собой продукты замещения ионов водорода кислоты на металл или гидроксильных групп основания на кислотный остаток. В зависимости от полноты замещения атомов водорода или гидроксильных групп соли подразделяют на средние (или нормальные ), например К 2 SO 4 , кислые (или гидросоли ) например NaHCO 3 , и основные (или гидроксосоли ) например FeOHCl. Различают также двойные соли , образованные двумя металлами и одним кислотным остатком (КАl(SO 4) 2), и смешанные соли, образованные одним металлом и двумя кислотными остатками (СаСlОСl). Названия солей обусловлены систематическими названиями соответствующих кислот, например, К 2 SO 4 – тетраоксосульфат (VI) калия, NaHCO 3 – триоксокарбонат (IY) водорода-натрия, FeOHCl или, точнее, FeClOH – гидрокси-хлорид железа (II).
При наличии числовых приставок (1, 2, . . .) в названии вещества для верного понимания формулы применяют умножение приставки (например, КАl 3 (SO 4) 2 (OH) 6 – гексагидроксид-бис(сульфат) триалюминия-калия). Названия приставок следующие:
1 Монокис- 5 Пентакис- 9 Нонакис-
3 Трис- 7 Гептакис- 11 Ундекасис-
Традиционные наименования солей также содержат названия анионов в именительном падеже и названия катионов в родительном падеже (см. табл. 2), например, К 2 SO 4 – сульфат калия, NaHCO 3 – гидрокарбонат натрия, FeOHCl – гидроксохлорид железа (II).
Оксиды в зависимости от характерных функций, выполняемых в химических реакциях, подразделяют на солеобразующие (среди них выделяют основные, кислотные и амфотерные) и несолеобразующие .
Основные оксиды образуют соли при взаимодействии с кислотами или кислотными оксидами. Им соответствуют основания, так как они их образуют при взаимодействии с водой, например СаО – Са(ОН) 2 .
Кислотные оксиды образуют соли при взаимодействии с основаниями или основными оксидами. Они могут быть получены путем отделения воды от соответствующей кислоты. Поэтому их называют также ангидридами кислот, например SO 3 – ангидрид Н 2 SO 4 .
Амфотерные оксиды образуют соли как при взаимодействии с кислотами, так и при взаимодействии с основаниями, например, ZnO, Al 2 O 3 .
Гидраты и кристаллогидраты – соединения, содержащие в своем составе воду, например, NH 3 ∙ Н 2 О ∙ Fe 2 O 3 , n H 2 O, СuSO 4 ∙ 5Н 2 О. Как систематические, так и традиционные названия таких соединений начинаются со слова «гидрат» с соответствующей приставкой: NH 3 ∙ Н 2 О – гидрат аммиака, Fe 2 O 3 ∙ n H 2 O – полигидрат оксида железа (III), СuSO 4 ∙ 5Н 2 О – пентагидрад тетраоксосульфата меди (II), или пентагидрад сульфата меди (II).
Лекция 5. Химическая термодинамика
Химическая термодинамика. Термодинамические системы. Термодинамические параметры. Термодинамический процесс. Внутренняя энергия, теплота, работа. Первый закон термодинамики. Энтальпия. Закон Гесса и следствия из него. Энтропия. Второе начало термодинамики. Свободная энергия Гиббса и свободная энергия Гельгмольца.
Химическая термодинамика.
Термодинамика изучает взаимное превращение теплоты, работы и различных видов энергии. Слово термодинамика происходит от греческих слов термос (тепло) и динамос (сила, мощь). Термин термодинамика был введён Томсоном в 1854 году, который употребил его как синоним понятий теплота и работа.
Термодинамика основывается на трёх фундаментальных принципах, которые называются началами термодинамики. Они являются обобщением многочисленных экспериментальных фактов.
Применение методов термодинамики к химическим реакциям и процессам обусловили появление химической термодинамики. Предметом изучения химической термодинамики является превращение энергии при химических взаимодействиях, которые происходят при протекании химических процессов.
Термодинамические системы. Термодинамические параметры. Термодинамический процесс.
Термодинамика использует ряд понятий и модельных представлений, таких как термодинамическая система, параметры состояния, энергия, теплота, работа. Перейдем к их рассмотрению.
Понятие система означает ту часть материального мира, которую мы исследуем. Например, химический стакан с водой, реактор на химическом предприятии. Остальная часть материального мира, за пределами условно выделенной системы – называется окружением.
Термодинамической системой – называется совокупность тел, которая фактически или мысленно может быть выделена из окружающей среды. Система отделена от окружения границей, через которую совершается материальный обмен - массообмен или (и) теплообмен. В зависимости от степени изолированности различают открытые, закрытые, изолированные системы.
Открытые системы – это системы, которые обмениваются с внешней средой веществом, механической работой, теплотой и излучением. Например, в пробирке смешивается карбонат натрия (сода) с раствором хлорводородной кислоты. В результате протекает реакция
Na 2 CO 3 + HCl = NaCl + CO 2 + H 2 O.
В рассматриваемом химическом процессе масса системы уменьшается, так как улетучивается диоксид углерода, и выделяется тепло, часть которого идёт на нагрев окружающего воздуха.
Закрытые системы – системы, которые не обмениваются с внешней средой веществом, но взаимодействуют с ней посредством механической работы, теплообмена и излучения. Примером закрытой системы является пробирка, в которой происходит смешение соды с хлорводородной кислотой, закрытая пробкой.
Изолированные системы – системы невзаимодействующие с внешней средой. Между изолированной системой и окружением не происходит никакого обмена ни веществом, ни энергией. На практике понятие абсолютно изолированных систем не существует, оно является абстрактным, мысленным построением. Примером приближенно изолированной системы является термос или сосуд Дьюара.
Система может находиться в том или ином состоянии. Состоянием системы называется совокупность физических и химических свойств, характеризующих систему.
Состояние термодинамической системы характеризуют параметры состояния : давление, объём, температура, концентрация.
Давление (Р) характеризует подвижность молекул и определяется силой, с которой газообразные частицы действуют на стенки сосуда. Давление измеряют в Па (Паскаль), атм (атмосфера), мм рт. ст. (миллиметры ртутного столба): 1 атм = 760 мм рт. ст. = 101325 Па.
Объём (V) характеризует часть пространства, занимаемого веществом. Измеряют объём в м 3 (кубический метр), см 3 (кубический сантиметр), л (литр), мл (миллилитр): 1 м 3 = 1000 л; 1л = 1000 мл.
Температура (Т, t) характеризует степень нагретости системы и измеряется в К (шкала Кельвина) и 0 С (шкала Цельсия). Для перевода температур, выраженных в разных шкалах, используют выражение
Т = t + 273 (1).
Концентрация вещества (с) определяет количественный состав раствора, смеси, расплава. Например, молярная концентрация – количество молей вещества в 1 л раствора или смеси, обозначается через моль/л.
Таким образом, набор параметров (р, V, Т) называется состоянием системы, так как считается, что он полностью определяет состояние. Термодинамические параметры являются макроскопическими величинами, измеряемыми в опыте. Они являются функциями состояния, то есть их изменение определяется только начальным и конечным состояниями и не зависит от пути процесса, в результате которого произошло это изменение
∆ Т = Т кон – Т нач = Т 2 – Т 1 (2).
Для бесконечно малых изменений можно записать
∆ Т = dT (3).
Если величина не является функцией состояния, а зависит от пути процесса, то она является функцией перехода. В этом случае бесконечно малое изменение величины А записывают в виде
∆А = δА (4).
Таким образом, знак ∆ - обозначает изменение величины, являющейся функцией состояния, знак δ – обозначает изменение величины, являющейся функцией перехода.
Термодинамические параметры не являются независимыми, а связаны уравнением состояния. Примером такого уравнения является уравнение состояния идеального газа, которое называется уравнением Менделеева-Клайперона
где n – число молей газа; R – газовая постоянная.
Состояние термодинамической системы может изменяться с течением времени. Обычно такое изменение фиксируется при измерении одного из термодинамических параметров. Поэтому в термодинамике используется понятие термодинамического процесса.
Термодинамическим процессом называется всякое изменение в системе, связанное с изменением хотя бы одного параметра. Таким образом, термодинамический процесс – это изменение состояния системы. Различают следующие процессы: изохорный (V = const), изобарный (p = const), изотермический (T = const), адиабатный (теплота Q = 0).
Термодинамические процессы бывают:
-обратимые , когда переход из одного состояния в другое и обратно может происходить по одному и тому же пути, и после возвращения в исходное состояние в окружающей среде не остаётся макроскопических изменений; примером обратимого процесса является сжатие и растяжение пружины;
-необратимые или неравновесные , когда параметры изменяются с конечной скоростью и переход из одного состояния в другое и обратно не может происходить по одному и тому же пути, в результате в окружающей среде остаются макроскопические изменения; примером необратимого процесса является пластическая деформация металлической проволоки.
Внутренняя энергия, теплота, работа.
Кроме термодинамических параметров немаловажную роль играют и другие термодинамические величины, такие как работа и теплота. Они являются количественной мерой термодинамических процессов и характеризуют участие системы в термодинамических процессах. Работа и теплота являются энергетическими характеристиками. Поэтому рассмотрим понятие энергии.
Энергия происходит от греческого слова «действие» - есть мера способности совершать работу. Энергия измеряется в Дж (Джоуль). Многочисленные наблюдения и опытные факты говорят о следующих свойствах энергии.
Энергия не исчезает и не возникает из ничего.
Энергия может существовать в разнообразных формах.
В изолированной системе энергия может переходить из одной формы в другую, но её количество остаётся постоянным.
Если система не изолирована, то её энергия может изменяться, но при одновременном изменении энергии внешней среды на точно такую же величину.
Любая система обладает определённым запасом энергии, то есть энергия неотъемлемое свойство системы.
Для рассмотрения химических процессов важны следующие формы энергии: солнечная, механическая, химическая, ядерная, электрическая.
Различают следующие виды энергии: кинетическую (энергия движения), потенциальную (энергия положения и взаимодействия) и внутреннюю энергию (энергию состояния).
В настоящее время известно более 500 тысяч неорганических соединений, знать их формулы, названия, а тем более свойства практически невозможно. Для того чтобы легче ориентироваться в огромном многообразии химических веществ, все вещества разделены на отдельные классы, включающие соединения, сходные по строению и свойствам.
Первоначально все химические вещества делятся на простые и сложные.
Простые вещества подразделяются на металлы и неметаллы.
Помимо типичных металлов и неметаллов есть большая группа веществ, обладающая промежуточными свойствами, их называют металлоидами.
Сложные вещества подразделяются на четыре класса химических соединений: оксиды , основания, кислоты и соли. Эта классификация разработана выдающимися химиками XVIII-XIX веков Антуаном Лораном Лавуазье , Михаилом Васильевичем Ломоносовым , Йёнсом Якобом Берцелиусом , Джоном Дальтоном .
На рис. 8 приведены важнейшие классы неорганических соединений.
Рисунок 8 - Важнейшие классы неорганических соединений
Гидроксиды - тип сложных веществ, в состав которых входят атомы некоторого элемента Е (кроме фтора и кислорода) и гидроксогруппы ОН; общая формула гидроксидов Е(ОН) n , где n = 1÷6. Форма гидроксидов Е(ОН) n называется орто -формой; при n > 2 гидроксид может находиться также в мета -форме, включающей кроме атомов Е и групп ОН еще атомы кислорода О, например Е(ОН) 3 и ЕО(ОН), Е(ОН) 4 и Е(ОН) 6 и ЕО 2 (ОН) 2 .
Гидроксиды делят на две противоположные по химическим свойствам группы: кислотные и основные гидроксиды.
Кислотные гидроксиды содержат атомы водорода , которые могут замещаться на атомы металла при соблюдении правила стехиометрической валентности. Большинство кислотных гидроксидов находится в мета -форме, причем атомы водорода в формулах кислотных гидроксидов ставят на первое место, например H 2 SO 4 , HNO 3 и H 2 CO 3 , а не SO 2 (OH) 2 , NO 2 (OH) и CO(OH) 2 . Общая формула кислотных гидроксидов - Н х ЕО у , где электроотрицательную составляющую ЕО у х - называют кислотным остатком. Если не все атомы водорода замещены на металл, то они остаются в составе кислотного остатка.
Названия распространенных кислотных гидроксидов состоят из двух слов: собственного названия с окончанием «ая» и группового слова «кислота».
Названия кислот и кислотного остатка представлены в табл. Приложения А.
Названия кислотных остатков используют при построении названий солей.
Основные гидроксиды содержат гидроксид-ионы, которые могут замещаться на кислотные остатки при соблюдении правила стехиометрической валентности. Все основные гидроксиды находятся в орто -форме; их общая формула М(ОН) n , где n = 1,2 (реже 3,4) и М n +- катион металла.
Примеры формул и названий основных гидроксидов:
Важнейшим химическим свойством основных и кислотных гидроксидов является их взаимодействие их между собой с образованием солей (реакция солеобразования ), например:
Ca(OH) 2 + H 2 SO 4 = CaSO 4 + 2H 2 O
Ca(OH) 2 + 2H 2 SO 4 = Ca(HSO 4) 2 + 2H 2 O
2Ca(OH) 2 + H 2 SO 4 = Ca 2 SO 4 (OH) 2 + 2H 2 O
Соли - тип сложных веществ, в состав которых входят катионы М n + и кислотные остатки.
Соли с общей формулой М х (ЕО у ) n называют средними солями, а соли с незамещенными атомами водорода, - кислыми солями. Иногда соли содержат в своем составе также гидроксид - или (и) оксид - ионы; такие соли называют основными солями.
Приведем примеры и названия солей:
Кислые и основные соли могут быть превращены в средние соли взаимодействием с соответствующим основным и кислотным гидроксидом, например:
Ca(HSO 4) 2 + Ca(OH) = CaSO 4 + 2H 2 O
Ca 2 SO 4 (OH) 2 + H 2 SO 4 = 2CaSO 4 + 2H 2 O
Встречаются также соли, содерхащие два разных катиона: их часто называют двойными солями , например:
Кислотные и осн?вные оксиды
Оксиды Е х О у - продукты полной дегидратации гидроксидов:
Кислотным гидроксидам (H 2 SO 4 , H 2 CO 3) отвечают кислотные оксиды (SO 3 , CO 2), а основным гидроксидам (NaOH, Ca(OH) 2) - основные оксиды (Na 2 O, CaO), причем степень окисления элемента Е не изменяется при переходе от гидроксида к оксиду.
Пример формул и названий оксидов:
Кислотные и основные оксиды сохраняют солеобразующие свойства соответствующих гидроксидов при взаимодействии с противоположными по свойствам гидроксидами или между собой:
N 2 O 5 + 2NaOH = 2NaNO 3 + H 2 O
3CaO + 2H 3 PO 4 = Ca 3 (PO 4) 2 + 3H 2 O
La 2 O 3 + 3SO 3 = La 2 (SO 4) 3
Амфотерные оксиды и гидроксиды
Амфотерность гидроксидов и оксидов - химическое свойство, заключающееся в образовании ими двух рядов солей, например, для гидроксида и оксида алюминия:
(а) 2Al(OH) 3 + 3SO 3 = Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 O
Al 2 O 3 + 3H 2 SO 4 = Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 O
(б) 2Al(OH) 3 + Na 2 O = 2NaAlO 2 + 3H 2 O
Al 2 O 3 + 2NaOH = 2NaAlO 2 + H 2 O
Так, гидроксид и оксид алюминия в реакциях (а) проявляют свойства основных гидроксидов и оксидов, т.е. реагируют с кислотными гидроксидам и оксидом, образуя соответствующую соль - сульфат алюминия Al 2 (SO 4) 3 , тогда как в реакциях (б) они же проявляют свойства кислотных гидроксидов и оксидов, т.е. реагируют с основными гидроксидом и оксидом, образуя соль - диоксоалюминат (III) натрия NaAlO 2 . В первом случае элемент алюминий проявляет свойство металла и входит в состав электроположительной составляющей (Al 3+), во втором - свойство неметалла и входит в состав электроотрицательной составляющей формулы соли (AlO 2 -).
Если указанные реакции протекают в водном растворе, то состав образующихся солей меняется, но присутствие алюминия в катионе и анионе остаётся:
2Al(OH) 3 + 3H 2 SO 4 = 2 (SO 4) 3
Al(OH) 3 + NaOH = Na
Здесь квадратными скобками выделены комплексные ионы 3+ - катион гексаакваалюминия(III), - - тетрагидроксоалюминат(III)-ион.
Элементы, проявляющие в соединениях металлические и неметаллические свойства, называют амфотерными, к ним относятся элементы А-групп периодической системы - Be, Al, Ga, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Po и др., а также большинство элементов Б-групп - Cr, Mn, Fe, Zn, Cd, Au и др. Амфотерные оксиды называют так же, как и основные, например:
Амфотерные гидроксиды (если степень окисления элемента превышает + II) могут находиться в орто - или (и) мета - форме.
Примеры амфотерных гидроксидов:
Амфотерным оксидам не всегда соответствуют амфотерные гидроксиды, поскольку при попытке получения последних образуются гидратированные оксиды, например:
Если амфотерному элементу в соединениях отвечает несколько степеней окисления, то амфотерность соответствующих оксидов и гидроксидов (а следовательно, и амфотерность самого элемента) будет выражена по-разному. Для низких степеней окисления у гидроксидов и оксидов наблюдается преобладание основных свойств, а у самого элемента - металлических свойств, поэтому он почти всегда входит в состав катионов. Для высоких степеней окисления, напротив, у гидроксидов и оксидов наблюдается преобладание кислотных свойств, а у самого элемента - неметаллических свойств, поэтому он почти всегда входит в состав анионов.
Классификация неорганических веществ и их номенклатура основаны на наиболее простой и постоянной во времени характеристике -
химическом составе , который показывает атомы элементов, образующих данное вещество, в их числовом отношении. Если вещество из атомов одного химического элемента, т.е. является формой существования этого элемента в свободном виде, то его называют простым веществом ; если же вещество из атомов двух или большего числа элементов, то его называют сложным веществом . Все простые вещества (кроме одноатомных) и все сложные вещества принято называть химическими соединениями , так как в них атомы одного или разных элементов соединены между собой химическими связями.Номенклатура неорганических веществ состоит из формул и названий. Химическая формула - изображение состава вещества с помощью символов химических элементов, числовых индексов и некоторых других знаков. Химическое название - изображение состава вещества с помощью слова или группы слов. Построение химических формул и названий определяется системой номенклатурных правил .
Символы и наименования химических элементов приведены в Периодической системе элементов Д.И. Менделеева. Элементы условно делят на металлы
и неметаллы . К неметаллам относят все элементы VIIIА-группы (благородные газы) и VIIА-группы (галогены), элементы VIА-группы (кроме полония), элементы азот, фосфор, мышьяк ( VА-группа); углерод, кремний ( IVА-группа); бор (IIIА-группа), а также водород. Остальные элементы относят к металлам.При составлении названий веществ обычно применяют русские наименования элементов, например, дикислород, дифторид ксенона, селенат калия. По традиции для некоторых элементов в производные термины вводят корни их латинских наименований:
|
Ag - аргент |
N - нитр |
|
As - арс, арсен |
Ni - никкол |
|
Au - аур |
O - окс, оксиген |
|
C - карб, карбон |
Pb - плюмб |
|
Cu - купр |
S - сульф |
|
Fe - ферр |
Sb - стиб |
|
H - гидр, гидроген |
Si - сил, силик, силиц |
|
Hg - меркур |
Sn - станн |
|
Mn - манган |
Например
: карбонат, манганат, оксид, сульфид, силикат.Названия простых веществ состоят из одного слова - наименования химического элемента с числовой приставкой, например:
Используются следующие числовые приставки
:|
1 - моно |
7 - гепта |
|
2 - ди |
|
|
3 - три |
9 - нона |
|
4 - тетра |
|
|
5 - пента |
11 - ундека |
|
6 - гекса |
12 - додека |
Неопределенное число указывается числовой приставкой
n - поли.Для некоторых простых веществ используют также специальные названия, такие, как О
3 - озон, Р 4 - белый фосфор.Химические формулы сложных веществ составляют из обозначения электроположительной (условных и реальных катионов) и электроотрицательной (условных и реальных анионов) составляющих, например,
CuSO 4 (здесь Cu 2+ - реальный катион, SO 4 2- - реальный анион) и PCl 3 (здесь P +III - условный катион, Cl - I - условный анион).Названия сложных веществ составляют по химическим формулам справа налево. Они складываются из двух слов - названий электроотрицательных составляющих (в именительном падеже) и электроположительных составляющих (в родительном падеже), например:
CuSO 4 -
сульфат меди(II) Число электроположительных и электроотрицательных составляющих в названиях указывают числовыми приставками, приведенными выше (универсальный способ), либо степенями окисления (если они могут быть определены по формуле) с помощью римских цифр в круглых скобках (знак плюс опускается). В ряде случаев приводят заряд ионов (для сложных по составу катионов и анионов), используя арабские цифры с соответствующим знаком. Для распространенных многоэлементных катионов и анионов применяют следующие специальные названия:
PCl 3 -
трихлорид фосфора
LaCl 3 -
хлорид лантана(III)
СО -
монооксид углерода
|
H 2 F + - фтороний |
C 2 2- - ацетиленид |
|
H 3 O + - оксоний |
CN - - цианид |
|
H 3 S + - сульфоний |
CNO - - фульминат |
|
NH 4 + - аммоний |
HF 2 - - гидродифторид |
|
N 2 H 5 + - гидразиний(1+) |
HO 2 - - гидропероксид |
|
N 2 H 6 + - гидразиний(2+) |
HS - - гидросульфид |
|
NH 3 OH + - гидроксиламиний |
N 3 - - азид |
|
NO + - нитрозил |
NCS - - тиоционат |
|
NO 2 + - нитроил |
O 2 2 - - пероксид |
|
O 2 + - диоксигенил |
O 2 - - надпероксид |
|
PH 4 + - фосфоний |
O 3 - - озонид |
|
VO 2 + - ванадил |
OCN - - цианат |
|
UO 2 + - уранил |
OH - - гидроксид |
Для небольшого числа хорошо известных веществ также используют специальные названия:
|
AsH 3 - арсин |
HN 3 - азидоводород |
|
B 2 H 6 - боран |
H 2 S - сероводород |
|
B 4 H 10 - тетраборан(10) |
NH 3 - аммиак |
|
HCN - циановодород |
N 2 H 4 - гидразин |
|
HCl - хлороводород |
NH 2 OH - гидроксиламин |
|
HF - фтороводород |
PH 3 - фосфин |
|
HI - иодоводород |
SiH 4 - силан |
Гидроксиды - тип сложных веществ, в состав которых входят атомы некоторого элемента Е (кроме фтора и кислорода) и гидроксогруппы ОН; общая формула гидроксидов Е(ОН)
n , где n = 1÷6. Форма гидроксидов Е(ОН) n называется орто -формой; при n > 2 гидроксид может находиться также в мета -форме, включающей кроме атомов Е и групп ОН еще атомы кислорода О, например Е(ОН) 3 и ЕО(ОН), Е(ОН) 4 и Е(ОН) 6 и ЕО 2 (ОН) 2 .Гидроксиды делят на две противоположные по химическим свойствам группы: кислотные и основные гидроксиды.
Кислотные гидроксиды содержат атомы водорода, которые могут замещаться на атомы металла при соблюдении правила стехиометрической валентности. Большинство кислотных гидроксидов находится в мета -форме, причем атомы водорода в формулах кислотных гидроксидов ставят на первое место, например
H 2 SO 4 , HNO 3 и H 2 CO 3 , а не SO 2 (OH) 2 , NO 2 (OH) и CO(OH) 2 . Общая формула кислотных гидроксидов - Н х ЕО у , где электроотрицательную составляющую ЕО у х- называют кислотным остатком. Если не все атомы водорода замещены на металл, то они остаются в составе кислотного остатка.Названия распространенных кислотных гидроксидов состоят из двух слов: собственного названия с окончанием “ая” и группового слова “кислота”. Приведем формулы и собственные названия распространенных кислотных гидроксидов и их кислотных остатков (прочерк означает, что гидроксид не известен в свободном виде или в кислом водном растворе):
|
кислотный гидроксид |
кислотный остаток |
|
HAsO 2 - метамышьяковистая |
AsO 2 - - метаарсенит |
|
H 3 AsO 3 - ортомышьяковистая |
AsO 3 3- - ортоарсенит |
|
H 3 AsO 4 - мышьяковая |
AsO 4 3- - арсенат |
| 4 О 7 2- - тетраборат | |
| iО 3 - - висмутат | |
|
HBrO - бромноватистая |
BrO - - гипобромит |
|
HBrO 3 - бромноватая |
BrO 3 - - бромат |
|
H 2 CO 3 - угольная |
CO 3 2- - карбонат |
|
HClO - хлорноватистая |
ClO - - гипохлорит |
|
HClO 2 - хлористая |
ClO 2 - - хлорит |
|
HClO 3 - хлорноватая |
ClO 3 - - хлорат |
|
HClO 4 - хлорная |
ClO 4 - - перхлорат |
|
H 2 CrO 4 - хромовая |
CrO 4 2- - хромат |
| CrO 4 - - гидрохромат | |
|
H 2 Cr 2 О 7 - дихромовая |
Cr 2 O 7 2- - дихромат |
|
FeO 4 2- - феррат |
|
|
HIO 3 - иодноватая |
IO 3 - - иодат |
|
HIO 4 - метаиодная |
IO 4 - - метапериодат |
|
H 5 IO 6 - ортоиодная |
IO 6 5- - ортопериодат |
|
HMnO 4 - марганцовая |
MnO 4 - - перманганат |
|
MnO 4 2- - манганат |
|
|
Mо O 4 2- - молибдат |
|
|
HNO 2 - азотистая |
NO 2 - - нитрит |
|
HNO 3 - азотная |
NO 3 - - нитрат |
|
HPO 3 - метафосфорная |
PO 3 - - метафосфат |
|
H 3 PO 4 - ортофосфорная |
PO 4 3- - ортофосфат |
| PO 4 2- - гидроортофосфат | |
| 2 PO 4 - - дигидроотофосфат | |
|
H 4 P 2 O 7 - дифосфорная |
P 2 O 7 4- - дифосфат |
|
ReO 4 - - перренат |
|
|
SO 3 2- - сульфит |
|
|
HSO 3 - - гидросульфит |
|
|
H 2 SO 4 - серная |
SO 4 2- - сульфат |
| SO 4 - - гидросульфат | |
|
H 2 S 2 O 7 - дисерная |
S 2 O 7 2- - дисульфат |
|
H 2 S 2 O 6 (O 2) - пероксодисерная |
S 2 O 6 (O 2) 2- - пероксодисульфат |
|
H 2 SO 3 S - тиосерная |
SO 3 S 2- - тиосульфат |
|
H 2 SeO 3 - селенистая |
SeO 3 2- - селенит |
|
H 2 SeO 4 - селеновая |
SeO 4 2- - селенат |
|
H 2 SiO 3 - метакремниевая |
SiO 3 2- - метасиликат |
|
H 4 SiO 4 - ортокремниевая |
SiO 4 4- - ортосиликат |
|
H 2 TeO 3 - теллуристая |
TeO 3 2- - теллурит |
|
H 2 TeO 4 - метателлуровая |
TeO 4 2- - метателлурат |
|
H 6 TeO 6 - ортотеллуровая |
TeO 6 6- - ортотеллурат |
|
VO 3 - - метаванадат |
|
|
VO 4 3- - ортованадат |
|
|
WO 4 3- - вольфрамат |
Менее распространенные кислотные гидроксиды называют по номенклатурным правилам для комплексных соединений, например:
Названия кислотных остатков используют при построении названий солей.
Основные гидроксиды содержат гидроксид-ионы, которые могут замещаться на кислотные остатки при соблюдении правила стехиометрической валентности. Все основные гидроксиды находятся в орто -форме; их общая формула М(ОН)
n , где n = 1,2 (реже 3,4) и М n +- катион металла. Примеры формул и названий основных гидроксидов:Важнейшим химическим свойством основных и кислотных гидроксидов является их взаимодействие их между собой с образованием солей (реакция солеобразования ), например:
Ca(OH) 2 + H 2 SO 4 = CaSO 4 + 2H 2 O
Ca(OH) 2 + 2H 2 SO 4 = Ca(HSO 4) 2 + 2H 2 O
2Ca(OH) 2 + H 2 SO 4 = Ca 2 SO 4 (OH) 2 + 2H 2 O
Соли - тип сложных веществ, в состав которых входят катионы М
n + и кислотные остатки*.Соли с общей формулой М х (ЕО у
) n называют средними солями, а соли с незамещенными атомами водорода, - кислыми солями. Иногда соли содержат в своем составе также гидроксид - или(и) оксид - ионы; такие соли называют основными солями. Приведем примеры и названия солей:|
- ортофосфат кальция |
|
|
- дигидроортофосфат кальция |
|
|
- гидроортофосфат кальция |
|
|
Карбонат меди(II) |
|
|
Cu 2 CO 3 (OH) 2 |
- дигидроксид-карбонат димеди |
|
Нитрат лантана(III) |
|
|
- оксид-динитрат титана |
Кислые и основные соли могут быть превращены в средние соли взаимодействием с соответствующим основным и кислотным гидроксидом, например:
Ca(HSO 4) 2 + Ca(OH) = CaSO 4 + 2H 2 O
Ca 2 SO 4 (OH) 2 + H 2 SO 4 = 2CaSO 4 + 2H 2 O
Встречаются также соли, содерхащие два разных катиона: их часто называют двойными солями
, например:
Оксиды Е х О у
- продукты полной дегидратации гидроксидов:Кислотным гидроксидам
(H 2 SO 4 , H 2 CO 3) отвечают кислотные оксиды (SO 3 , CO 2), а основным гидроксидам (NaOH, Ca(OH) 2) - основные оксиды (Na 2 O, CaO), причем степень окисления элемента Е не изменяется при переходе от гидроксида к оксиду. Пример формул и названий оксидов:Кислотные и основные оксиды сохраняют солеобразующие свойства соответствующих гидроксидов при взаимодействии с противоположными по свойствам гидроксидами или между собой:
N 2 O 5 + 2NaOH = 2NaNO 3 + H 2 O
3CaO + 2H 3 PO 4 = Ca 3 (PO 4) 2 + 3H 2 O
La 2 O 3 + 3SO 3 = La 2 (SO 4) 3
Амфотерность
(а ) 2Al(OH) 3 + 3SO 3 = Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 O
Al 2 O 3 + 3H 2 SO 4 = Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 O
(б ) 2Al(OH) 3 + Na 2 O = 2NaAlO 2 + 3H 2 O
Al 2 O 3 + 2NaOH = 2NaAlO 2 + H 2 O
Так, гидроксид и оксид алюминия в реакциях (а) проявляют свойства основных
гидроксидов и оксидов, т.е. реагируют с кислотными гидроксидам и оксидом, образуя соответствующую соль -
сульфат алюминия Если указанные реакции протекают в водном растворе, то состав образующихся солей меняется, но присутствие алюминия в катионе и анионе остаётся:
2Al(OH) 3 + 3H 2 SO 4 = 2 (SO 4) 3
Al(OH) 3 + NaOH = Na
Здесь квадратными скобками выделены комплексные ионы Элементы, проявляющие в соединениях металлические и неметаллические свойства, называют амфотерными, к ним относятся элементы А-групп Периодической системы -
Амфотерные гидроксиды (если степень окисления элемента превышает +
II) могут находиться в орто - или (и) мета - форме. Приведем примеры амфотерных гидроксидов:Амфотерным оксидам не всегда соответствуют амфотерные гидроксиды, поскольку при попытке получения последних образуются гидратированные оксиды, например:
Если амфотерному элементу в соединениях отвечает несколько степеней окисления, то амфотерность соответствующих оксидов и гидроксидов (а следовательно, и амфотерность самого элемента) будет выражена по-разному. Для низких степеней окисления у гидроксидов и оксидов наблюдается преобладание основных свойств, а у самого элемента - металлических свойств, поэтому он почти всегда входит в состав катионов. Для высоких степеней окисления, напротив, у гидроксидов и оксидов наблюдается преобладание кислотных свойств, а у самого элемента - неметаллических свойств, поэтому он почти всегда входит в состав анионов. Так, у оксида и гидроксида марганца(
II) доминируют основные свойства, а сам марганец входит в состав катионов типа [ Mn(H 2 O) 6 ] 2+ , тогда как у оксида и гидроксида марганца( VII) доминируют кислотные свойства, а сам марганец входит в состав аниона типа MnO 4 - . Амфотерным гидроксидам с большим преобладанием кислотных свойств приписывают формулы и названия по образцу кислотных гидроксидов, например Н Mn VII O 4 - марганцовая кислота.Таким образом, деление элементов на металлы и неметаллы - условное; между элементами (
Na, K, Ca, Ba и др.) с чисто металлическими и элементами ( F, O, N, Cl, S, C и др.) с чисто неметаллическими свойствами существует большая группа элементов с амфотерными свойствами.Обширный тип неорганических сложных веществ - бинарные соединения. К ним относятся, в первую очередь все двухэлементные соединения (кроме основных, кислотных и амфотерных оксидов), например
H 2 O, KBr, H 2 S, Cs 2 (S 2), N 2 O, NH 3 , HN 3 , CaC 2 , SiH 4 . Электроположительная и электроотрицательная составляющие формул этих соединений включают отдельные атомы или связанные группы атомов одного элемента.Многоэлементные вещества, в формулах которых одна из составляющих содержит не связанные между собой атомы нескольких элементов, а также одноэлементные или многоэлементные группы атомов (кроме гидроксидов и солей), рассматривают как бинарные соединения, например
CSO, IO 2 F 3 , SBrO 2 F, CrO(O 2) 2 , PSI 3 , (CaTi)O 3 , (FeCu)S 2 , Hg(CN) 2 , (PF 3) 2 O, VCl 2 (NH 2 ). Так, CSO можно представить как соединение CS 2 , в котором один атом серы заменен на атом кислорода.Названия бинарных соединений строятся по обычным номенклатурным правилам, например:
|
OF 2 - дифторид кислорода |
K 2 O 2 - пероксид калия |
|
HgCl 2 - хлорид ртути(II) |
Na 2 S - сульфид натрия |
|
Hg 2 Cl 2 - дихлорид диртути |
Mg 3 N 2 - нитрид магния |
|
SBr 2 O - оксид-дибромид серы |
NH 4 Br - бромид аммония |
|
N 2 O - оксид диазота |
Pb(N 3) 2 - азид свинца(II) |
|
NO 2 - диоксид азота |
CaC 2 - ацетиленид кальция |
Для некоторых бинарных соединений используют специальные названия, список которых был приведен ранее.
Химические свойства бинарных соединений довольно разнообразны, поэтому их часто разделяют на группы по названию анионов, т.е. отдельно рассматривают галогениды, халькогениды, нитриды, карбиды, гидриды и т. д. Среди бинарных соединений встречаются и такие, которые имеют некоторые признаки других типов неорганических веществ. Так, соединения
CO, NO, NO 2 , и (Fe II Fe 2 III)O 4 , названия которых строятся с применением слова оксид, к типу оксидов (кислотных, основных, амфотерных) отнесены быть не могут. Монооксид углерода СО, монооксид азота NO и диоксид азота NO 2 не имеют соответствующих кислотных гидроксидов (хотя эти оксиды образованы неметаллами С и N), не образуют они и солей, в состав анионов которых входили бы атомы С II , N II и N IV . Двойной оксид (Fe II Fe 2 III)O 4 - оксид дижелеза(III)-железа(II) хотя и содержит в составе электроположительной составляющей атомы амфотерного элемента - железа, но в двух разных степенях окисления, вследствие чего при взаимодействии с кислотными гидроксидами образует не одну, а две разные соли.Такие бинарные соединения, как
AgF, KBr, Na 2 S, Ba(HS) 2 , NaCN, NH 4 Cl, и Pb(N 3) 2 , построены, подобно солям, из реальных катионов и анионов, поэтому их называют солеобразными бинарными соединениями (или просто солями). Их можно рассматривать как продукты замещения атомов водорода в соединениях Н F, Н Cl, Н Br, Н 2 S, Н CN и Н N 3 . Последние в водном растворе обладают кислотной функцией, и поэтому их растворы называют кислотами, например Н F(aqua) - фтороводородная кислота, Н 2 S(aqua) - сероводородная кислота. Однако они не принадлежат к типу кислотных гидроксидов, а их производные - к солям в рамках классификации неорганических веществ.Неорганические вещества делят на классы либо по составу (бинарные и многоэлементные; кислородосодержащие, азотсодержащие и т.п.), либо по функциональным признакам.
К важнейшим классам неорганических соединений, выделяемых по функциональным признакам, относятся соли, кислоты, основания и оксиды.
Соли – это соединения, которые в растворе диссоциируют на катионы металла и кислотные остатки. Примерами солей могут служить, например, сульфат бария BaSO 4 и хлорид цинка ZnCl 2 .
Кислоты – вещества, диссоциирующие в растворах с образованием ионов водорода. Примерами неорганических кислот могут служить соляная (НCl), серная (H 2 SO 4), азотная (HNO 3), фосфорная (H 3 PO 4) кислоты. Наиболее характерное химическое свойство кислот – их способность реагировать с основаниями с образованием солей. По степени диссоциации в разбавленных растворах кислоты подразделяются на сильные кислоты, кислоты средней силы и слабые кислоты. По окислительно–восстановительной способности различают кислоты–окислители (HNO 3) и кислоты–восстановители (HI, H 2 S). Кислоты реагируют с основаниями, амфотерными оксидами и гидроксидами с образованием солей.
Основания – вещества, диссоциирующие в растворах с образованием только гидроксид-анионов (OH 1–). Растворимые в воде основания называют щелочами (КОН, NaOH). Характерное свойство оснований – взаимодействие с кислотами с образованием соли и воды.
Оксиды –это соединения двух элементов, один из которых кислород. Различают оксиды основные, кислотные и амфотерные. Основные оксиды образованы только металлами (CaO, K 2 O), им соответствуют основания (Ca(OH) 2 , KOH). Кислотные оксиды образуются неметаллами (SO 3 , P 2 O 5) и металлами, проявляющими высокую степень окисления (Mn 2 O 7), им соответствуют кислоты (H 2 SO 4 , H 3 PO 4 , HMnO 4). Амфотерные оксиды в зависимости от условий проявляют кислотные и основные свойства, взаимодействуют с кислотами и основаниями. К ним относятся Al 2 O 3 , ZnO, Cr 2 O 3 и ряд других. Существуют оксиды, не проявляющие ни основных, ни кислотных свойств. Такие оксиды называются безразличными (N 2 O, CO и др.)
Классификация органических соединений
Углерод в органических соединениях, как правило, образует устойчивые структуры, в основе которых лежат углерод-углеродные связи. В способности образовывать такие структуры углерод не имеет себе равных среди других элементов. Большинство органических молекул состоит из двух частей: фрагмента, который в ходе реакции остаётся без изменения, и группы, подвергающейся при этом превращениям. В связи с этим определяется принадлежность органических веществ к тому или иному классу и ряду соединений.
Неизменный фрагмент молекулы органического соединения принято рассматривать в качестве остова молекулы. Он может иметь углеводородную или гетероциклическую природу. В связи с этим можно условно выделить четыре больших ряда соединений: ароматический, гетероциклический, алициклический и ациклический.
В органической химии также выделяют дополнительные ряды: углеводороды, азотсодержащие соединения, кислородосодержащие соединения, серосодержащие соединения, галогеносодержащие соединения, металлоорганические соединения, кремнийорганические соединения.
В результате комбинации этих основополагающих рядов образуются составные ряды, например: "Ациклические углеводороды", "Ароматические азотсодержащие соединения".
Наличие тех или иных функциональных групп либо атомов элементов определяет принадлежность соединения к соответствующему классу. Среди основных классов органических соединений выделяют алканы, бензолы, нитро- и нитрозосоединения, спирты, фенолы, фураны, эфиры и большое количество других.
В нашу задачу не входит подробное описание органических соединений, их номенклатуры, структуры и химических свойств. Студентам предлагается вспомнить школьный курс общей и органической химии или обратиться к многочисленным литературным источникам.
Типы химических связей
Химическая связь – это взаимодействие, удерживающее два или несколько атомов, молекул или любую комбинацию из них. По своей природе химическая связь представляет собой электрическую силу притяжения между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными атомными ядрами. Величина этой силы притяжения зависит главным образом от электронной конфигурации внешней оболочки атомов.
Способность атома образовывать химические связи характеризуется его валентностью. Электроны, участвующие в образовании химической связи, называются валентными.
Различают несколько типов химических связей: ковалентную, ионную, водородную, металлическую.
При образовании ковалентной связи происходит частичное перекрывание электронных облаков взаимодействующих атомов, образуются электронные пары. Ковалентная связь оказывается тем прочнее, чем в большей степени перекрываются взаимодействующие электронные облака.
Различают полярную и неполярную ковалентные связи.
Если двухатомная молекула состоит из одинаковых атомов (H 2 , N 2), то электронное облако распределяется в пространстве симметрично относительно обоих атомов. Такая ковалентная связь называется неполярной (гомеополярной). Если же двухатомная молекула состоит из разных атомов, то электронное облако смещено к атому с большей относительной электроотрицательностью. Такая ковалентная связь называется полярной (гетерополярной). Примерами соединений с такой связью могут служить HCl, HBr, HJ.
В рассмотренных примерах каждый из атомов обладает одним неспаренным электроном; при взаимодействии двух таких атомов создается общая электронная пара – возникает ковалентная связь. В невозбужденном атоме азота имеется три неспаренных электрона, за счет этих электронов азот может участвовать в образовании трех ковалентных связей (NH 3). Атом углерода может образовать 4 ковалентные связи.
Перекрывание электронных облаков возможно только при их определенной взаимной ориентации, при этом область перекрывания располагается в определенном направлении по отношению к взаимодействующим атомам. Другими словами, ковалентная связь обладает направленностью. Энергия ковалентных связей находится в пределах 150–400 кДж/моль.
Химическая связь между ионами, осуществляемая электростатическим притяжением, называется ионной связью . Её можно рассматривать как предел полярной ковалентной связи. Ионная связь в отличие от ковалентной не обладает направленностью и насыщаемостью.
Важным типом химической связи является связь электронов в металле. Металлы состоят из положительных ионов, которые удерживаются в узлах кристаллической решетки, и свободных электронов. При образовании кристаллической решетки валентные орбитали соседних атомов перекрываются и электроны свободно перемещаются из одной орбитали в другую. Эти электроны уже не принадлежат определенному атому металла, они находятся на гигантских орбиталях, которые простираются по всей кристаллической решетке. Химическая связь, осуществляемая в результате связывания положительных ионов решетки металла свободными электронами, называется металлической.
Между молекулами (атомами) веществ могут осуществляться слабые связи. Одна из самых важных – водородная связь , которая может быть межмолекулярной и внутримолекулярной . Водородная связь возникает между атомом водорода молекулы (он заряжен частично положительно) и сильно электроотрицательным элементом молекулы (фтор, кислород и т.п.). Энергия водородной связи значительно меньше энергии ковалентной связи и не превышает 10 кДж/моль. Однако этой энергии оказывается достаточно для создания ассоциаций молекул, затрудняющих отрыв молекул друг от друга. Водородные связи играют важную роль в биологических молекулах, во многом определяют свойства воды.
Силы Ван-дер-Ваальса также относятся к слабым связям. Они обусловлены тем, что любые две нейтральных молекулы (атома) на очень близких расстояниях слабо притягиваются из-за электромагнитных взаимодействий электронов одной молекулы с ядрами другой и наоборот.