Неорганическая химия: понятие, вопросы и задачи. Что изучает неорганическая химия. Классификация химических реакций в неорганической и органической химии

Химия - наука о веществах, закономерностях их превращений (физических и химических свойствах) и применении.

В настоящее время известно более 100 тыс. неорганических и более 4 млн. органических соединений.

Химические явления: одни вещества превращаются в другие, отличающиеся от исходных составом и свойствами, при этом состав ядер атомов не изменяется.

Физические явления: меняется физическое состояние веществ (парообразование, плавление, электропроводность, излучение тепла и света, ковкость и др.) или образуются новые вещества с изменением состава ядер атомов.

Атомно - молекулярное учение.

1. Все вещества состоят из молекул.

Молекула - наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами.

2. Молекулы состоят из атомов.

Атом - наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Различным элементам соответствуют различные атомы.

3. Молекулы и атомы находятся в непрерывном движении; между ними существуют силы притяжения и отталкивания.

Химический элемент - это вид атомов, характеризующийся определенными зарядами ядер и строением электронных оболочек. В настоящее время известно 118 элементов: 89 из них найдены в природе (на Земле), остальные получены искусственным путем. Атомы существуют в свободном состоянии, в соединениях с атомами того же или других элементов, образуя молекулы. Способность атомов вступать во взаимодействие с другими атомами и образовывать химические соединения определяется его строением. Атомы состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, движущихся вокруг него, образуя электронейтральную систему, которая подчиняется законам, характерным для микросистем.

Атомное ядро - центральная часть атома, состоящая из Zпротонов и Nнейтронов, в которой сосредоточена основная масса атомов.

Заряд ядра - положительный, по величине равен количеству протонов в ядре или электронов в нейтральном атоме и совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе.

Сумма протонов и нейтронов атомного ядра называется массовым числом A= Z+ N .

Изотопы - химические элементы с одинаковыми зарядами ядер, но различными массовыми числами за счет разного числа нейтронов в ядре.

Массовое число ® Заряд ® ядра

A Z

63 29

Cu и

65 29

35 17

Cl и

37 17

Химическая формула - это условная запись состава вещества с помощью химических знаков (предложены в 1814 г. Й. Берцелиусом) и индексов (индекс - цифра, стоящая справа внизу от символа. Обозначает число атомов в молекуле). Химическая формула показывает, атомы каких элементов и в каком отношении соединены между собой в молекуле.

Аллотропия - явление образования химическим элементом нескольких простых веществ, различающихся по строению и свойствам. Простые вещества - молекулы, состоят из атомов одного и того же элемента.

C ложные вещества - молекулы, состоят из атомов различных химических элементов.

Постоянная атомной массы равна 1 / 12 массы изотопа 12 C - основного изотопа природного углерода.

m u = 1 / 12 m (12 C ) =1 а.е.м = 1,66057 10 -24 г

Относительная атомная масса (A r ) - безразмерная величина, равная отношению средней массы атома элемента (с учетом процентного содержания изотопов в природе) к 1 / 12 массы атома 12 C .

Средняя абсолютная масса атома (m ) равна относительной атомной массе, умноженной на а.е.м.

A r (Mg ) = 24,312

m (Mg ) = 24,312 1,66057 10 -24 = 4,037 10 -23 г

Относительная молекулярная масса (M r ) - безразмерная величина, показывающая, во сколько раз масса молекулы данного вещества больше 1 / 12 массы атома углерода 12 C .

M г = m г / (1 / 12 m а (12 C ))

m r - масса молекулы данного вещества;

m а (12 C ) - масса атома углерода 12 C .

M г = S A г (э). Относительная молекулярная масса вещества равна сумме относительных атомных масс всех элементов с учетом индексов.

Примеры.

M г (B 2 O 3 ) = 2 A r (B ) + 3 A r (O ) = 2 11 + 3 16 = 70

M г (KAl(SO 4) 2) = 1 A r (K) + 1 A r (Al) + 1 2 A r (S) + 2 4 A r (O) =
= 1 39 + 1 27 + 1 2 32 + 2 4 16 = 258

Абсолютная масса молекулы равна относительной молекулярной массе, умноженной на а.е.м. Число атомов и молекул в обычных образцах веществ очень велико, поэтому при характеристике количества вещества используют специальную единицу измерения - моль.

Количество вещества, моль . Означает определенное число структурных элементов (молекул, атомов, ионов). Обозначается n , измеряется в моль. Моль - количество вещества, содержащее столько же частиц, сколько содержится атомов в 12 г углерода.

Число Авогадро (N A ). Количество частиц в 1 моль любого вещества одно и то же и равно 6,02 10 23 . (Постоянная Авогадро имеет размерность - моль -1).

Пример.

Сколько молекул содержится в 6,4 г серы?

Молекулярная масса серы равна 32 г /моль. Определяем количество г/моль вещества в 6,4 г серы:

n (s ) = m (s ) / M (s ) = 6,4г / 32 г/моль = 0,2 моль

Определим число структурных единиц (молекул), используя постоянную Авогадро N A

N(s) = n (s) N A = 0,2 6,02 10 23 = 1,2 10 23

Молярная масса показывает массу 1 моля вещества (обозначается M ).

M = m / n

Молярная масса вещества равна отношению массы вещества к соответствующему количеству вещества.

Молярная масса вещества численно равна его относительной молекулярной массе, однако первая величина имеет размерность г/моль, а вторая - безразмерная.

M = N A m (1 молекула) = N A M г 1 а.е.м. = (N A 1 а.е.м.) M г = M г

Это означает, что если масса некоторой молекулы равна, например, 80 а.е.м. ( SO 3 ), то масса одного моля молекул равна 80 г. Постоянная Авогадро является коэффициентом пропорциональности, обеспечивающим переход от молекулярных соотношений к молярным. Все утверждения относительно молекул остаются справедливыми для молей (при замене, в случае необходимости, а.е.м. на г) Например, уравнение реакции: 2 Na + Cl 2 2 NaCl , означает, что два атома натрия реагируют с одной молекулой хлора или, что одно и то же, два моль натрия реагируют с одним молем хлора.

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

Неорганическая химия - раздел химии, который связан с изучением строения, реакционной способности и свойств всех химических элементов и их неорганических соединений. Эта область химии охватывает все соединения, за исключением органических веществ (класса соединений, в которые входит углерод, за исключением нескольких простейших соединений, обычно относящихся к неорганическим). Различия между органическими и неорганическими соединениями , содержащими , являются по некоторым представлениям произвольными. Неорганическая химия изучает химические элементы и образуемые ими простые и сложные вещества (кроме органических). Число известных сегодня неорганических веществ приближается к 500 тысячам.

Теоретическим основанием неорганической химии является периодический закон и основанная на нём периодическая система Д. И. Менделеева . Главной задачей неорганической химии является разработка и научное обоснование способов создания новых материалов с нужными для современной техники свойствами.

Классификация химических элементов

Периодическая система химических элементов (таблица Менделеева ) - классификация химических элементов, которая устанавливает зависимость различных свойств химических элементов от заряда атомного ядра. Система — это графическое выражение периодического закона, . Её первоначальный вариант был разработан Д. И. Менделеевым в 1869-1871 годах и назывался «Естественная система элементов», который устанавливал зависимость свойств химических элементов от их атомной массы. Всего предложено несколько сотен вариантов изображения периодической системы, но в современном варианте системы предполагается сведение элементов в двумерную таблицу, в которой каждый столбец (группа) определяет основные физико-химические свойства, а строки представляют собой периоды, в некоторой степени подобные друг другу.

Простые вещества

Они состоят из атомов одного химического элемента (являются формой его существования в свободном состоянии). В зависимости от того, какова химическая связь между атомами, все простые вещества в неорганической химии разделяются на две основные группы: и . Для первых характерна металлическая связь, для вторых - ковалентная. Также выделяются две примыкающие к ним группы - металлоподобных и неметаллоподобных веществ. Существует такое явление как аллотропия, которое состоит в возможности образования нескольких типов простых веществ из атомов одного и того же элемента, но с разным строением кристаллической решетки; каждый из таких типов называется аллотропной модификацией.

Металлы

(от лат. metallum - шахта, рудник) - группа элементов, обладающая характерными металлическими свойствами, такими как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск. Из 118 химических элементов, открытых на данный момент, к металлам относят:

• 38 в группе переходных металлов,
• 11 в группе лёгких металлов,
• 7 в группе полуметаллов,
• 14 в группе лантаноиды+ лантан,
• 14 в группе актиноиды + актиний,
• вне определённых групп .

Таким образом, к металлам относится 96 элементов из всех открытых.

Неметаллы

Химические элементы с типично неметаллическими свойствами, занимающие правый верхний угол Периодической системы элементов. В молекулярной форме в виде простых веществ в природе встречаются

Темы кодификатора ЕГЭ: Классификация химических реакций в органической и неорганической химии.

Химические реакции — это такой вид взаимодействия частиц, когда из одних химических веществ получаются другие, отличающиеся от них по свойствам и строению. Вещества, которые вступают в реакцию — реагенты . Вещества, которые образуются в ходе химической реакции — продукты .

В ходе химической реакции разрушаются химические связи, и образуются новые.

В ходе химических реакций не меняются атомы, участвующие в реакции. Меняется только порядок соединения атомов в молекулах. Таким образов, число атомов одного и того же вещества в ходе химической реакции не меняется .

Химические реакции классифицируют по разным признакам. Рассмотрим основные виды классификации химических реакций.

Классификация по числу и составу реагирующих веществ

По составу и числу реагирующих веществ разделяют реакции, протекающие без изменения состава веществ, и реакции, протекающие с изменением состава веществ:

1. Реакции, протекающие без изменения состава веществ (A → B)

К таким реакциям в неорганической химии можно отнести аллотропные переходы простых веществ из одной модификации в другую:

S ромбическая → S моноклинная.

В органической химии к таким реакциям относятся реакции изомериза-ции , когда из одного изомера под действием катализатора и внешних факторов получается другой (как правило, структурный изомер).

Например , изомеризация бутана в 2-метилпропан (изобутан):

CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 → CH 3 -CH(CH 3)-CH 3 .

2. Реакции, протекающие с изменением состава

• Реакции соединения (A + B + … → D) — это такие реакции, в которых из двух и более веществ образуется одно новое сложное вещество. В неорганической химии к реакция соединения относятся реакции горения простых веществ, взаимодействие основных оксидов с кислотными и др. В органической химии такие реакции называются реакциями присоединения . Реакции присоединения — это такие реакции, в ходе которых к рассматриваемой органической молекуле присоединяется другая молекула. К реакциям присоединения относятся реакции гидрирования (взаимодействие с водородом), гидратации (присоединение воды), гидрогалогенирования (присоединение галогеноводорода), полимеризация (присоединение молекул друг к другу с образованием длинной цепочки) и др.

Например , гидратация:

CH 2 =CH 2 + H 2 O → CH 3 -CH 2 -OH

• Реакции разложения (A → B + C + …) — это такие реакции, в ходе которых из одной сложной молекулы образуется несколько менее сложных или простых веществ. При этом могут образовываться как простые, так и сложные вещества.

Например , при разложении пероксида водорода :

2H 2 O 2 → 2H 2 O + O 2 .

В органической химии разделяют собственно реакции разложения и реакции отщепления. Реакции отщепления (элиминирования) — это такие реакции, в ходе которых происходит отрыв атомов или атомных групп от исходной молекулы при сохранении ее углеродного скелета.

Например , реакция отщепления водорода (дегидрирование) от пропана :

C 3 H 8 → C 3 H 6 + H 2

Как правило, в названии таких реакций есть приставка «де». Реакции разложения в органической химии происходят, как правило, с разрывом углеродной цепи.

Например , реакция крекинга бутана (расщепление на более простые молекулы при нагревании или под действием катализатора):

C 4 H 10 → C 2 H 4 + C 2 H 6

• Реакции замещения — это такие реакции, в ходе которых атомы или группы атомов одного вещества замещаются на атомы или группы атомов другого вещества. В неорганической химии эти реакции происходят по схеме:

AB + C = AC + B .

Например , более активные галогены вытесняют менее активные из соединений. Взаимодействие йодида калия с хлором :

2KI + Cl 2 → 2KCl + I 2 .

Замещаться могут как отдельные атомы, так и молекулы.

Например , при сплавлении менее летучие оксиды вытесняют более летучие из солей. Так, нелетучий оксид кремния вытесняет оксид углерода из карбоната натрия при сплавлении:

Na 2 CO 3 + SiO 2 → Na 2 SiO 3 + CO 2

В органической химии реакции замещения — это такие реакции, в ходе которых часть органической молекулы замещается на другие частицы . При этом замещенная частица, как правило, соединяется с частью молекулы-заместителя.

Например , реакция хлорирования метана :

CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl

По числу частиц и составу продуктов взаимодействия эта реакция больше похожа на реакцию обмена. Тем не менее, по механизму такая реакция является реакцией замещения.

• Реакции обмена — это такие реакции, в ходе которых два сложных вещества обмениваются своими составными частями:

AB + CD = AC + BD

К реакциям обмена относятся реакции ионного обмена , протекающие в растворах; реакции, иллюстрирующие кислотно-основные свойства веществ и другие.

Пример реакции обмена в неорганической химии — нейтрализация соляной кислоты щелочью :

NaOH + HCl = NaCl + H 2 O

Пример реакции обмена в органической химии — щелочной гидролиз хлорэтана :

CH 3 -CH 2 -Cl + KOH = CH 3 -CH 2 -OH + KCl

Классификация химических реакций по изменению степени окисления элементов, образующих вещества

По изменению степени окисления элементов химические реакции делят на окислительно-восстановительные реакции , и реакции, идущие без изменения степеней окисления химических элементов.

• Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) — это реакции, в ходе которых степени окисления веществ изменяются . При этом происходит обмен электронами .

В неорганической химии к таким реакциям относятся, как правило, реакции разложения, замещения, соединения, и все реакции, идущие с участием простых веществ. Для уравнивания ОВР используют метод электронного баланса (количество отданных электронов должно быть равно количеству полученных) или метод электронно-ионного баланса .

В органической химии разделяют реакции окисления и восстановления, в зависимости от того, что происходит с органической молекулой.

Реакции окисления в органической химии — это реакции, в ходе которых уменьшается число атомов водорода или увеличивается число атомов кислорода в исходной органической молекуле.

Например , окисление этанола под действием оксида меди:

CH 3 -CH 2 -OH + CuO → CH 3 -CH=O + H 2 O + Cu

Реакции восстановления в органической химии — это реакции, в ходе которых увеличивается число атомов водорода или уменьшается число атомов кислорода в органической молекуле.

Например , восстановление уксусного альдегида водородом :

CH 3 -CH=O + H 2 → CH 3 -CH 2 -OH

• Протолитические реакции и реакции обмена — это такие реакции, в ходе которые степени окисления атомов не изменяются.

Например , нейтрализация едкого натра азотной кислотой :

NaOH + HNO 3 = H 2 O + NaNO 3

Классификация реакций по тепловому эффекту

По тепловому эффекту реакции разделяют на экзотермические и эндотермические .

Экзотермические реакции — это реакции, сопровождающиеся выделением энергии в форме теплоты (+Q ). К таким реакциям относятся почти все реакции соединения.

Исключения — реакция азота с кислородом с образованием оксида азота (II) — эндотермическая:

N 2 + O 2 = 2NO – Q

Реакция газообразного водорода с твердым йодом также эндотермическая :

H 2 + I 2 = 2HI – Q

Экзотермические реакции, в ходе которых выделяется свет, называют реакциями горения .

Например , горение метана:

CH 4 + O 2 = CO 2 + H 2 O

Также экзотермическими являются:

Эндотермические реакции — это реакции, сопровождающиеся поглощением энергии в форме теплоты (— Q ). Как правило, с поглощением теплоты идет большинство реакций разложения (реакции, требующие длительного нагревания).

Например , разложение известняка :

CaCO 3 → CaO + CO 2 – Q

Также эндотермическими являются:

• реакции гидролиза ;
• реакции, идущие только при нагревании ;
• реакции, протекающие только при очень высоких температурах или под действием электрического разряда.

Например , превращение кислорода в озон:

3O 2 = 2O 3 — Q

В органической химии с поглощением теплоты идут реакции разложения. Например , крекинг пентана :

C 5 H 12 → C 3 H 6 + C 2 H 6 – Q .

Классификация химических реакций по агрегатному состоянию реагирующих веществ (по фазовому составу)

Вещества могут существовать в трех основных агрегатных состояниях — твердом , жидком и газообразном . По фазовому состоянию разделяют реакции гомогенные и гетерогенные .

• Гомогенные реакции — это такие реакции, в которых реагирующие вещества и продукты находятся в одной фазе , и столкновение реагирующих частиц происходит во всем объеме реакционной смеси. К гомогенным реакциям относят взаимодействия жидкость-жидкость и газ-газ .

Например , окисление сернистого газа :

2SO 2(г) + O 2(г) = 2SO 3(г)

• Гетерогенные реакции — это реакции, в которых реагирующие вещества и продукты находятся в разных фазах . При этом столкновение реагирующих частиц происходит только на границе соприкосновения фаз . К таким реакциям относятся взаимодействия газ-жидкость, газ-твердая фаза, твердая-твердая, и твердая фаза — жидкость .

Например , взаимодействие углекислого газа и гидроксида кальция :

CO 2(г) + Ca(OH) 2(р-р) = CaCO 3(тв) + H 2 O

Для классификации реакций по фазовому состоянию полезно уметь определять фазовые состояния веществ . Это достаточно легко сделать, используя знания о строении вещества, в частности, о .

Вещества с ионной , атомной или металлической кристаллической решеткой , как правило твердые при обычных условиях; вещества с молекулярной решеткой , как правило, жидкости или газы при обычных условиях.

Обратите внимание, что при нагревании или охлаждении вещества могут переходить из одного фазового состояния в другое. В таком случае необходимо ориентироваться на условия проведения конкретной реакции и физические свойства вещества.

Например , получение синтез-газа происходит при очень высоких температурах, при которых вода — пар:

CH 4(г) + H2O (г) = CO (г) + 3H 2(г)

Таким образом, паровая конверсия метана — гомогенная реакция .

Классификация химических реакций по участию катализатора

Катализатор — это такое вещество, которое ускоряет реакцию, но не входит в состав продуктов реакции. Катализатор участвует в реакции, но практичсеки не расходуется в ходе реакции. Условно схему действия катализатора К при взаимодействии веществ A + B можно изобразить так: A + K = AK; AK + B = AB + K.

В зависимости от наличия катализатора различают каталитические и некаталитические реакции.

• Каталитические реакции — это реакции, которые идут с участием катализаторов. Например, разложение бертолетовой соли: 2KClO 3 → 2KCl + 3O 2 .
• Некаталитические реакции — это реакции, которые идут без участия катализатора. Например, горение этана: 2C 2 H 6 + 5O 2 = 2CO 2 + 6H 2 O.

Все реакции, протекающие с участием в клетках живых организмов, протекают с участием особых белковых катализаторов — ферментов. Такие реакции называют ферментативными.

Более подробно механизм действия и функции катализаторов рассматриваются в отдельной статье.

Классификация реакций по направлению

Обратимые реакции — это реакции, которые могут протекать и в прямом, и в и обратном направлении, т.е. когда при данных условиях продукты реакции могут взаимодействовать друг с другом. К обратимым реакциям относятся большинство гомогенных реакций, этерификация; реакции гидролиза; гидрирование-дегидрирование, гидратация-дегидратация; получение аммиака из простых веществ, окисление сернистого газа, получение галогеноводородов (кроме фтороводорода) и сероводорода; синтез метанола; получение и разложение карбонатов и гидрокарбонатов, и т.д.

Необратимые реакции — это реакции, которые протекают преимущественно в одном направлении, т.е. продукты реакции не могут взаимодействовать друг сдругом при данных условиях. Примеры необратимых реакций: горение; реакции, идущие со взрывом; реакции, идущие с образованием газа, осадка или воды в растворах; растворение щелочных металлов в воде; и др.

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.