Основные понятия химии (стр. 2 )

2

I II

K2О.

Степень окисления – условный заряд атома элемента, полученный в предположении, что соединение состоит из ионов. Она может быть положительной, отрицательной, нулевой, дробной и обозначается арабской цифрой со знаком «+» или «–» в виде верхнего правого индекса символа элемента: Cl–, Cl7+, O2–, H+, Mg2+, N3–, N5+, Cr6+.

Важнейшим свойством материи является движение. Формы движения материи изучаются различными естественными науками: физикой, химией, биологией и т. д. Химическая форма движения материи сопровождается химическими явлениями. Химические явления называют иначе химическими реакциями – это превращение одних веществ в другие при неизменяемости ядер атомов. Характерные признаки химических реакций: изменение цвета, выделение газа, горение, свечение, выпадение осадка.

Каждую секунду в окружающем нас мире происходит неисчислимое множество химических реакций, в результате которых одни вещества превращаются в другие. Некоторые реакции можно наблюдать непосредственно, например, ржавление железных предметов, свертывание крови, сгорание автомобильного топлива, желтение листьев. Свойства окружающего мира определяют химические процессы, абсолютное большинство которых остается невидимым. Чтобы управлять превращениями веществ, необходимо как следует разобраться в природе подобных реакций. Для этого и нужно изучать химию.

Химическое уравнение – это условное изображение химической реакции. Числа атомов каждого химического элемента до и после реакции равны.

В основе каждой науки лежит некоторый набор предварительных убеждений, фундаментальных философских установок и ответов на вопрос о природе реальности и человеческого знания. Парадигма – это набор убеждений, ценностей, разделяемых членами данного научного сообщества. Основные парадигмы современной химии:

1) закон сохранения материи;

2) атомно-молекулярное строение вещества;

3) электронная природа химической связи;

4) однозначная связь строения вещества и его химических свойств (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 – Основные понятия химии

1.2 Классификация неорганических веществ

В неорганической химии индивидуальные вещества принято делить на две группы: группу простых веществ и группу сложных веществ, различающихся между собой по химическому составу.

Простые вещества – это вещества, которые образованы атомами одного химического элемента и являются формой его существования в свободном состоянии (кислород O2, металлическое железо Fe, водород H2, ромбическая сера S). Простые вещества делятся на металлы, неметаллы.

Металлы – это твердые при комнатной температуре вещества (за исключением ртути), с металлическим блеском, высокой тепло - и электропроводностью.

Неметаллы являются полной противоположностью металлам, могут быть газообразными, жидкими и твердыми веществами, не обладают металлическим блеском, имеют низкую тепло - и электропроводность.

Сложные вещества (химические соединения) – это вещества, которые образованы атомами двух или более химических элементов (поваренная соль NaCl, соляная кислота HCl, едкий кали KOH, углекислый газ CO2).

Сложные вещества делятся на несколько классов: кислоты, основания, соли и оксиды (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 – Классификация неорганических веществ

1.2.1 Оксиды

1.2.1.1 Номенклатура и физические свойства оксидов

Оксиды – сложные вещества, состоящие из атомов двух элементов, один из которых кислород: Al2O3 − оксид алюминия, BaO − оксид бария, Li2O − оксид лития, MgO − оксид магния. Большинство оксидов − твердые вещества, но могут быть жидкими и газообразными веществами. Оксиды не диссоциируют на ионы.

Название оксида состоит из слов «оксид» + название элемента + валентность элемента римскими цифрами: N2O − оксид азота (I). Если оксид имеет постоянную валентность, ее в названии оксида не указывают: А12О3 − оксид алюминия.

Название оксидов можно также образовывать добавлением к слову «оксид» греческих числительных. Например, СО2 − диоксид углерода, SО2 − диоксид серы, SO3 − триоксид серы, OsO4 − тетраоксид осмия.

1.2.1.2 Классификация оксидов

Оксиды подразделяются на две группы: несолеобразующие и солеобразующие. Каждую группу, в свою очередь, подразде­ляют на несколько подгрупп.

Несолеобразующие оксиды не имеют своих гидроксидов и не вступают в реакции обмена. К несолеобразующим оксидам принадлежат безразличные (индифферентные) оксиды: CO − оксид углерода (II), N2O − оксид азота (I), NO − оксид азота (II), SiO − оксид кремния (II).

Группа солеобразующих оксидов включает в себя основ­ные, кислотные и амфотерные оксиды.

К основным оксидам относятся только оксиды металлов: щелочных (Li, Na, К, Rb, Cs, Fr), щелочноземельных (Ca, Sr, Ba, Ra), магния, лантана, а также всех остальных металлов в их низших степенях окисления. Например, Nа2O, CaO, Cu2O, CrO, MnO, BaO La2O3 − основные оксиды. Им соответствуют основания (таблица 1.1):

.

Таблица 1.1 – Основные оксиды

Оксид	Соответствующее оксиду основание
формула	название	формула	название
Na2O	Оксид натрия	NaOH	Гидроксид натрия
MgO	Оксид магния	Mg(OH)2	Гидроксид магния
CaO	Оксид кальция	Ca(OH)2	Гидроксид кальция

В подгруппу кислотных оксидов входят, прежде всего, оксиды неметаллов, а также оксиды переходных металлов в высоких степенях окисления, например, Р2О5 − оксид фосфора (V) (фосфорный ангидрид), SO2 − оксид серы (IV) (сернистый газ), СrО3 − оксид хрома (VI ) (триоксид хрома), SiO2 − оксид кремния (кварцевый песок). Этим оксидам соответствуют кислоты (таблица 1.2):

.

Таблица 1.2 – Кислотные оксиды

Оксид	Соответствующая оксиду кислота
формула	название	формула	название
SO2	оксид серы (IV), сернистый ангидрид	H2SO3	сернистая кислота
SO3	оксид серы (VI), сернистый ангидрид	H2SO4	серная кислота
P2O5	оксид фосфора, (V) фосфорный ангидрид	H3PO4	фосфорная кислота

Кислотные оксиды, образованные металлами, при обычных условиях − твердые вещества, а образованные неметаллами − не только твердые, но и жидкие, и газообразные.

Амфотерные оксиды обладают двойственной природой, и им соответствуют гидроксиды, проявляющие свойства как оснований, так и свойства кислот. Амфотерные оксиды образованы амфотерными металлами, которые находятся в периодической системе химических элементов либо в главных подгруппах вблизи диагонали бор − астат, либо в побочных подгруппах. К амфотерным оксидам относятся, прежде всего, А12О3 − оксид алюминия, Сr2О3 − оксид хрома (III), ZnO − оксид цинка, ВеО − оксид бериллия, CuO − оксид меди (II), Fе2О3 − оксид железа (III), а также ряд других оксидов. Амфотерными называются оксиды, которые образуют как кислоты, так и основания:

.

Все амфотерные оксиды − твердые вещества.

Таким образом, неметаллы образуют только кислотные оксиды; металлы образуют все основные оксиды, все амфотерные и некоторые кислотные оксиды.

Все оксиды одновалентных металлов (Na2O, K2O, Cu2O) являются основными. Большинство оксидов двухвалентных металлов (CaO, BaO, FeO) также являются основными. Исключения: BeO, ZnO, PbO, SnO, которые являются амфотерными. Большинство оксидов трех - (III) и четырехвалентных (IV) металлов являются амфотерными: Al2O3 − оксид алюминия, Cr2O3 − оксид хрома (III), Fe2O3 − оксид железа (III), PbO2 − оксид свинца (IV), SnO2 − оксид олова (IV). Оксиды металлов с валентностью V, VI, VII являются кислотными: Sb2O5 − оксид сурьмы (V), CrO3 − оксид хрома (VI), оксид марганца − Mn2O7 (VII).

Металлы с переменной валентностью могут образовывать оксиды всех трех типов: CrO – основной оксид хрома (II); Cr2O3 – амфотерный оксид хрома (III), CrO3 – кислотный оксид хрома (VI) (рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 – Оксиды металлов и неметаллов

Вода − занимает особое положение, по своим свойствам она является одновременно и амфотерным, и несолеобразующим оксидом (рисунок 1.6).

Рисунок 1.6 – Классификация оксидов

Свойства несолеобразующих оксидов рассматриваются в разделах, посвященных химии соответствующих элементов. Поэтому ограничимся основными способами получения и наиболее важными химическими свойствами солеобразующих оксидов.

1.2.1.3 Основные способы получения оксидов

а. Окисление простых веществ кислородом:

,

.

Этот метод практически неприменим в случае щелочных и щелочноземельных металлов, которые при окислении дают, как правило, пероксиды:

.

б. Обжиг сульфидов: