Важнейшие классы химических соединений
Важнейшие классы химических соединений. Химические формулы и расчеты. Основные типы химических реакций. Окислительно-восстановительные реакции.
Все химические вещества делятся на простые (элементарные) и сложные. Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов (например, Сг, В, Н2, О2, Br2). Простые вещества делятся на металлы и неметаллы (металлоиды).
Сложные химические вещества делят на органические и неорганические. Органическими веществами принято называть соединения углерода с водородом, азотом и некоторыми другими элементами; все остальные вещества называются неорганическими, или минеральными.
Неорганические вещества делятся на классы либо по составу (двухэлементные, или бинарные, и многоэлементные; кислородсодержащие, азотсодержащие и т.п.) или по их функциональным признакам (кислоты, гидроксиды, восстановители, окислители и пр.).
К важнейшим бинарным соединениям относятся оксиды (соединения элементов с кислородом); галогениды или галиды (соединения элементов с галогенами, элементами подгруппы фтора); нитриды (с азотом); карбиды (с углеродом); а также гидриды (с водородом).
Например, AgO - оксид серебра; Na F - фторид натрия; Mg3N2 - нитрид магния; CaC2 - карбид кальция; СaH2 - гидрид кальция. Если менее электроотрицательный элемент может иметь переменную валентность, то после названия соединения валентность указывают в скобках римскими цифрами, например, Cu2O - оксид меди (I), CuO - оксид меди (II), N2O5 - оксид азота (V).
Среди многоэлементных соединений одними из самых важных являются гидроксиды - вещества, состоящие из гидроксогуппы (гидроксильной группы) ОН и металла. Основные гидроксиды (например, КОН) проявляют свойства оснований (отщепляя в водном растворе гидроксильные группы), кислотные гидроксиды (например, HONO2) в водном растворе ведут себя как кислоты, отщепляя ион водорода. Амфотерные основания (например, Zn(OH)2) проявляют как те, так и другие свойства.
Гидроксиды, образованные металлами первой группы (главной подгруппы) LiOH, NaOH, KOH, RbOH хорошо растворимы в воде, очень активны и носят тривиальное название щелочей. Растворимы и некоторые гидроксиды металлов второй группы _ кальция и бария. В зависимости от количества гидроксильных групп, входящих в состав гидроксидов, их делят на однокислотные (NaOH), двукислотные (Zn(OH)2) и т.д.
Кислотами называются соединения, способные в растворах отщеплять ионы водорода. Кислоты делятся на бескислородные (HCl, HF, H2S, HCN и т.п.) и кислородсодержащие (H2SO4, H3PO4, HNO3 и пр.) В зависимости от числа входящих в молекулу кислоты атомов водорода кислоты подразделяют на одноосновные, двухосновные, трехосновные и т.д.
Рекомендуемые материалы
Соли можно рассматривать как продукты замещения атомов водорода в кислоте атомами металлов (или группами других атомов, например, ионом аммония NH4+) или как продукты замещения гидроксогрупп в основном гидроксиде кислотными остатками.
При полном замещении получаются средние (нормальные) соли (например, Na2CO3 - карбонат натрия). При неполном замещении водорода получаются кислые соли (например, NaHCO3 - гидрокарбонат натрия), при неполном замещении гидроксила - основные соли (Mg(OH)Cl - хлорид гидроксомагния). Соли, образованные двумя металлами и одной кислотой, называются двойными солями (например, KCr(SO4)2 - хромокалиевые квасцы).
В нижеследующей таблице приведены названия некоторых наиболее распространенных кислот и их солей:
Название кислоты | Формула кислоты | Название соответствующей нормальной соли |
Азотная | HNO3 | Нитраты |
Азотистая | HNO2 | Нитриты |
Борная (ортоборная) | H3BO3 | Бораты |
Бромоводород | HBr | Бромиды |
Иодоводород (йодистоводородная кислота) | HJ | Йодиды |
Йодноватая | HJO3 | Йодаты |
Кремниевая | H2SiO3 | Силикаты |
Марганцовая | HMnO4 | Перманганаты |
Метафосфорная | HPO3 | Фосфаты |
Мышьяковая | H3AsO4 | Арсенаты |
Мышьяковистая | H3AsO3 | Арсениты |
Ортофосфорная | H3PO4 | Ортофосфаты |
Пирофосфорная | H4P2O7 | Пирофосфаты |
Двухромовая | H2CrO4 | Дихроматы |
Серная | H2SO4 | Сульфаты |
Сернистая | H2SO3 | Сульфиты |
Сероводородная | H2S | Сульфиды |
Угольная | H2CO3 | Карбонаты |
Уксусная кислота | CH3COOH | Ацетаты |
Фтороводородная (плавиковая) | HF | Фториды |
Хлороводород (хлористоводородная, или соляная кислота) | HCl | Хлориды |
Хлорная | HClO4 | Перхлораты |
Хлорноватая | HClO3 | Хлораты |
Хлорноватистая | HClO | Гипохлориты |
Хромовая | H2CrO4 | Хроматы |
Циановодород (синильная кислота) | HCN | Цианиды |
По исторически сложившейся традиции некоторые кислоты, также как и соли некоторых кислот, имеют тривиальные названия, отличающиеся от систематических.
Химические расчеты основаны на том, что состав химических веществ можно выразить химическими формулами, а взаимодействия между веществами - химическими уравнениями.
Химическая формула дает много сведений о веществе. Она показывает, из каких элементов состоит данное вещество и сколько атомов каждого элемента в его молекуле. Формула позволяет также рассчитать ряд величин, характеризующих вещество.
Молекулярную (молярную, или мольную) массу вещества рассчитывают по формуле как сумму атомных масс атомов, входящих в состав молекулы вещества с учетом количества каждого атома.
Эквивалентную массу вещества вычисляют исходя из его молекулярной массы. Эквивалентная масса элемента равна его атомной массе, деленной на валентность элемента. Эквивалентная масса кислоты равна ее молекулярной массе, деленной на основность кислоты. Эквивалентная масса основания равна его молекулярной массе, деленной на валентность металла, образующего основание. Эквивалентная масса соли равна ее молекулярной массе, деленной на произведение валентности металла на число его атомов в молекуле.
По закону эквивалентов, вещества взаимодействуют друг с другом в количествах, пропорциональных их эквивалентам.
Э1/Э2 = m1/m2
При расчетах эквивалентов элементов или их оксидов эквивалент кислорода принимается равным 8. Эквивалент водорода равен 1. Эквивалентные массы элементов и сложных веществ могут принимать несколько значений, если элемент имеет переменную валентность, а вещество способно вступать в реакции разного типа.
При химических расчетах удобно пользоваться такими единицами измерения массы вещества, как:
· Грамм-атом - количество вещества в граммах, равное его атомной массе.
· Грамм- молекула – количество вещества в граммах, равное его молекулярной массе. По закону Авогадро грамм-молекула любого газа занимает при нормальных условиях (Т=273,15 К и Р = 1атм, или 1,01∙105 Па) одинаковый объем, равный 22,4 л, или 22,4∙10-3 м3.
· Грамм –эквивалент – количество вещества в граммах, равное его эквивалентной массе.
· Грамм-ион – количество вещества в граммах, равное массе его иона.
В 1971 году решением Генеральной конференции по мерам и весам в Париже было введено понятие моль. Моль – это количество вещества определенной химической формулы, содержащее то же число формульных единиц (атомов, молекул, ионов, электронов, квантов или других частиц), какое имеется в 12 г (точно!) чистого изотопа углерода 12С, то есть NA = 6,023 ∙1023 частиц (число Авогадро). Нетрудно заметить, что понятие моль включает в себя все вышеперечисленные единицы измерения массы (от г-атома до г-иона).
Любую реакцию можно выразить химическим уравнением. Написав уравнение реакции, где в левой части приводятся формулы исходных веществ, а в правой – формулы продуктов реакции, уравнивают количества атомов в правой и левой его частях. При этом изменять формулы веществ нельзя. Каждая формула в уравнении обозначает 1 моль вещества. Поэтому, зная молярные массы веществ - участников реакции и коэффициенты в уравнении, можно найти количественные соотношения между исходными веществами и продуктами реакции. Например, в уравнении: 2NaOH + H2SO4 = Na2SO4 + 2H2O; 2 моля гидроксида натрия вступают в реакцию с 1 молем серной кислоты. При этом получается 1 моль сульфата натрия и 2 моля воды. Учитывая, что молярные массы участвующих в реакции веществ равны соответственно 40, 98, 142 и 18 г/моль уравнение можно прочесть так: 80г гидроксида натрия взаимодействуют с 98 г серной кислоты с образованием 142 г сульфата натрия и 36 г воды. Исходя из уравнений реакции, можно найти любую неизвестную величину, если, например, известно, сколько граммов гидроксида натрия вступает в реакцию.
Процессы, происходящие в химических системах, можно разделить на две группы. Превращения вещества, в результате которых изменяются структура или агрегатное состояние вещества, но химический состав его остается неизменным, называются фазовыми переходами. К ним относятся процессы плавления, испарения, сублимации или растворения вещества. Например, фазовые превращения воды можно записать в виде следующих уравнений: 1) Н2Ок → Н2Ож (плавление); 2) Н2Ож → Н2Ог (испарение); 3) Н2Ок → Н2Ог (сублимация). Растворение сульфата меди можно представить следующим уравнением: CuSO4 + 5H2O = CuSO4∙5H2O.
Превращения, при которых изменяется химический состав и структура соединений, называются химическими реакциями. Химические реакции можно разделить на следующие основные типы:
1) реакции соединения (из простых веществ получаются более сложные)
а) 2Cu + O2 = 2CuO; б) H2 + Cl2 = 2HCl
2) реакции разложения (из сложного вещества получаются более простые)
а) 2KMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + O2; б) HCOOH = CO + H2O;
3) реакции обмена (молекулы взаимодействующих веществ обмениваются своими частями)
а) BaCl2 + Na2SO4 = BaSO4 + 2NaCl; б) Na2CO3 + HCl = NaCl + CO2 + H2O; в) НCl + NaOH = NaCl + H2O;
Реакции обмена идут до конца, если в результате реакции образуется нерастворимое вещество (а), газ (б) или малодиссоциирующее соединение (в).
В противном случае реакция будет обратимой, и в числе продуктов реакции будут находиться и исходные вещества, образовывающие при обратном обмене (в ходе обратной реакции), например, г) KCl + Na2SO4 ↔ K2SO4 + NaCl.
Нерастворимые (или малорастворимые), газообразные и малодиссоциирующие вещества всегда принято записывать в виде молекулярной, а не ионной формулы. Растворимые вещества в растворе распадаются на положительно и отрицательно заряженные ионы (катионы и анионы соответственно) и их реакции можно записывать и в молекулярном, и в ионном виде.
4) окислительно-восстановительные реакции (в результате реакции меняется степень окисления, или окисленность, входящих в молекулы элементов).
а) Zn + 2HCL = ZnCl2 + H2; б) 5K2SO3 + 2KMnO4 + 3H2SO4 = 6K2SO4 + 2MnSO4 + 3H2O
В молекулах сложных веществ осуществляются, как правило, полярные ковалентные связи. Неравномерность распределения электронов в молекулах, состоящих из атомов с различной электроотрицательностью, называется окисленностью. Менее электроотрицательный элемент, электроны которого смещаются к более электроотрицательному элементу, приобретает положительную окисленность, а более электроотрицательный элемент - отрицательную окисленность. В ионных соединениях валентные электроны полностью переходят от одного атома, который становится положительно заряженным катионом, к другому, становящемуся отрицательно зараженным анионом.
Число электронов, смещенных от одного атома данного элемента (при положительной окисленности) или к одному атому данного элемента (при отрицательной окисленности) называется степенью окисленности элемента, или степенью окисления, или окислительным числом. Наиболее употребительным является термин "степень окисления". Для большинства химических соединений понятие степени окисления является условным, так как не отражает реальный заряд данного атома, однако это понятие широко используется в химии и помогает понять природу многих химических процессов.
В простых веществах степень окисления всегда равна нулю. Некоторым элементам свойственна одна степень окисления, другие проявляют различные степени окисления в различных соединениях. Постоянную степень окисления, равную (+1) имеют щелочные металлы первой группы и щелочноземельные металлы второй группы. Фтор всегда имеет степень окисления (-1). Для водорода степень окисления в большинстве соединений равна (+1), а для кислорода, как правило (-2). Зная формулу химического соединения, можно определить степень окисления любого элемента, если в состав соединения входят вышеупомянутые элементы с постоянной степенью окисления, учитывая, что молекула в целом должна быть электронейтральна.
В качестве примера рассчитаем степень окисления азота в следующих соединениях: NH3 (-3), N2H4 (-2), NH2OH (-1), N2 (0), NO (+2), NaNO2 (+3), NO2 (+4), KNO3 (+5). Примеры расчетов окисленности азота: NH3: х + 3(+1) = 0; х = -3; NaNO2: +1 + х + 2(-2) = 0; х =+3; KNO3: +1 + х + 3(-2) = 0; х = +5.
Иногда расчет оказывается затруднительным. Например, в соединениях PJ3, NJ3 для определения степени окисления элементов следует пользоваться таблицей электроотрицательности элементов. Так, электроотрицательности фосфора, йода и азота равны соответственно 2,2; 2,6 и 3,07. Учитывая, что при образовании химической связи электроны смещаются в сторону элемента с большей электроотрицательностью, определяем степени окисления фосфора и йода в йодиде фосфора как (+3) и (-1) соответственно, а азота и йода в йодиде азота как (-3) и (+1) соответственно.
Необходимо также уметь рассчитывать заряд ионов, входящих в состав молекулы. Например, молекула серной кислоты H2SO4 распадается в растворе на ионы Н+1 и SO4-2; молекула хлорида натрия NaCl - на ионы Na+1 и Cl-1; молекула дихромата калия K2Cr2O7 - на ионы K+ и Сr2O7-. Нерастворимые соединения не образуют ионов и записываются в виде нейтральных молекул. В виде нейтральных молекул записываются и газы.
При окислительно-восстановительных реакциях электроны переходят от атомов одних элементов к атомам других элементов. Вещества, присоединяющие электроны, называются окислителями, а процесс присоединения электронов называется восстановлением. Следовательно, окислитель в окислительно-восстановительной реакции восстанавливается.
Вещества, теряющие электроны, называются восстановителями, а процесс отдачи электронов называется окислением. Следовательно, восстановитель в процессе окислительно-восстановительной реакции окисляется.
Металлы проявляют в своих соединениях только положительную окисленность, и низшая степень их окисления (в свободном состоянии) равна нулю. Следовательно, все свободные металлы являются восстановителями. Многие металлы имеют несколько степеней окисления. Соединения металлов в низшей степени окисления служат сильными восстановителями. Это, например, соли железа (II), олова (II), хрома (III), меди (I). Сильными окислителями являются соединения металлов в высшей степени окисления (равной номеру группы), например, соли железа (III), ртути (II), марганца (VII), хрома (VI).
Соединения неметаллов в положительных высших степенях окисления являются сильными окислителями, например, соединения азота (V), серы (VI), хлора (VII). Соединения, в которых неметалл проявляет низшую степень окисления, служат сильными восстановителями, например, соединения азота в степени окисления (-3).
Соединения элементов в промежуточных степенях окисления (например, азота(III)) могут служить как окислителями, так и восстановителями, в зависимости от того, реагируют ли они с более сильным окислителем или с более сильным восстановителем.
Из простых веществ в качестве окислителей чаще всего применяются галогены (хлор и бром) и кислород, а в качестве восстановителя углерод или его монооксид СО.
Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций и подбор коэффициентов в них производится двумя методами, базирующимися на одном принципе: в окислительно-восстановительных реакциях общее число электронов, отдаваемых восстановителем, равно общему числу электронов, присоединяемых окислителем.
В методе электронного баланса подсчет числа присоединяемых и теряемых электронов производится на основании значений степеней окисления элементов до и после реакции. Например, в реакции
KMnO4 + FeSO4 + H2SO4 = MnSO4 + Fe2(SO4)3 + K2SO4 + H2O
Степень окисления изменяют только марганец и железо. Записываем уравнение электронного баланса:
Mn+7 + 5e = Mn+2 I 1
Fe+2 - 1e = Fe+3 I 5
_______________
Mn+7 + 5Fe+2 = Mn+2 + 5Fe+3
Таким образом, коэффициенты в уравнении реакции при окислителе и восстановителе - это 1 и 5. Однако, следует учесть, что в результате реакции образуется Fe2(SO4)3, содержащий 2 моля Fe (III),поэтому коэффициенты следует удвоить. В итоге получаем следующее уравнение:
2KMnO4 + 10FeSO4 + H2SO4 = 2MnSO4 + 5Fe2(SO4)3 + K2SO4 + H2O
Остальные коэффициенты находят по балансу других элементов (пока без кислорода и водорода), то есть в данном случае, калия и серы:
2KMnO4 + 10FeSO4 + 8H2SO4 = 2MnSO4 + 5Fe2(SO4)3 + K2SO4 + H2O
Далее по балансу атомов водорода определяют число молей воды
2KMnO4 + 10FeSO4 + 8H2SO4 = 2MnSO4 + 5Fe2(SO4)3 + K2SO4 + 8H2O
Для проверки правильности подобранных коэффициентов подсчитывают баланс атомов кислорода:
2KMnO4 + 10FeSO4 + 8H2SO4 = 2MnSO4 + 5Fe2(SO4)3 + K2SO4 + 8H2O
Ионно-электронный метод основан на составлении частных уравнений восстановления ионов (молекул) окислителя и окисления ионов (молекул) восстановителя. Для этого необходимо составить ионную схему реакции (ионы, не содержащие атомов, изменяющих степень окисления, в схему не включаются).
Вернемся к ранее рассмотренному примеру:
KMnO4 + FeSO4 + H2SO4 = MnSO4 + Fe2(SO4)3 + K2SO4 + H2O
Как видим, ионы Fe+2 окисляются до Fe+3, а ионы MnO4- превращаются в ионы Mn+2.
Частные уравнения окисления восстановителя и восстановления окислителя имеют вид:
Fe+2 - 1e = Fe+3
MnO4- + 8H+ + 5e = Mn+2 + 4H2O
Для того, чтобы связать атомы кислорода в воду, необходимо добавить двукратное количество атомов водорода (так как реакция идет в кислой среде)
Уравнивая количество отданных и полученных электронов, получаем ионное уравнение:
2Fe+2 - 2e = 2Fe+3 } 5
MnO4- + 8H+ + 5e = Mn+2 + 4H2O } 2
______________________________
10Fe+2 + 2MnO4- +16H+ = 10Fe+3 + 2Mn+2 + 8H2O
2KMnO4 + 10FeSO4 + 8H2SO4 = 2MnSO4 + 5Fe2(SO4)3 + K2SO4 + 8H2O
При составлении уравнений ионно-электронным методом все коэффициенты получаются сразу, поэтому при составлении уравнений реакций, идущих в кислой, щелочной и нейтральной среде этот метод предпочтительнее. В нейтральной среде для прибавления и отнятия кислорода используют молекулы воды, в щелочной среде - ионы гидроксила.
Примеры окислительно-восстановительных реакций:
1) K2Cr2O7 + H2SO4 + Na2SO3 → Cr2(SO4)3 + Na2SO4 + K2SO4 + H2O
Cr2O7-2 + 14H+ + 6e = 2Cr+3 + 7H2O } 1
SO3-2 + H2O -2e = SO4-2 + 2H+ } 3
__________________________
Cr2O7-2 + 3SO3-2 + 14H+ +3H2O = 2Cr+3 + 3SO4-2 + 6H+ + 7H2O
или (после приведения подобных членов)
Cr2O7-2 + 3SO3-2 + 18H+ = 2Cr+3 + 3SO4-2 + 4H2O
K2Cr2O7 + 4H2SO4 + 3Na2SO3 = Cr2(SO4)3 + 3Na2SO4 + K2SO4 + 4H2O
2) K2Cr2O7 + H2SO4 + NaNO2 → Cr2(SO4)3 + NO2 + Na2SO4 + K2SO4 + H2O
Cr2O7-2 + 14H+ + 6e = 2Cr+3 + 7H2O } 1
NO2 - - 1e = NO20 } 6
_____________________________
Cr2O7-2 + 14H+ + 6NO2- = 2Cr+3 + 6NO2 + 7H2O
K2Cr2O7 + 7H2SO4 + 6NaNO2 = Cr2(SO4)3 + 6NO2 + 3Na2SO4 + K2SO4 + 7H2O
3) K2Cr2O7 + H2SO4 + KJ → Cr2(SO4)3 + J2 + K2SO4 + H2O
Cr2O7-2 + 14H+ + 6e = 2Cr+3 + 7H2O } 1
2J- - 2e = J20 } 3
__________________________________
Cr2O7-2 + 14H+ + 6J- = 2Cr+3 + 3J2 + 7H2O
K2Cr2O7 + 7H2SO4 + 6KJ = Cr2(SO4)3 + 3J2 + 4K2SO4 + 7H2O
4) KMnO4 + Na2SO3 + H2SO4 → MnSO4 + Na2SO4 + K2SO4 + H2O
MnO4-2 + 8H+ + 5e = Mn+2 + 4H2O } 2
SO3-2 + H2O - 2e = SO4-2 + 2H+ } 5
________________________________
2MnO4-2 + 6H+ + 5SO3-2 = 2Mn+2 + 3H2O + 5SO4-2
2KMnO4 + 5Na2SO3 + 3H2SO4 = 2MnSO4 + 5Na2SO4 + K2SO4 + 3H2O
5) KMnO4 + Na2SO3 + KOH → K2MnO4 + Na2SO4 + H2O
MnO4- - 1e = MnO4-2 } 2
SO3-2 +2OH- +2e = SO4-2 + H2O } 1
_______________________________
2MnO4- + SO3-2 + 2OH- = 2MnO2-2 + SO4-2 + H2O
2KMnO4 + Na2SO3 + 2KOH = 2K2MnO4 + Na2SO4 + H2O
6) KMnO4 + Na2SO3 + H2O → MnO2 + Na2SO4 + KOH
MnO2- + 4H2O + 3e + MnO2 + 4OH- + 2H2O } 2
SO3-2 + 2OH- - 2e = SO4-2 + H2O } 3
_________________________________________
2MnO2- + 8H2O + 3SO3-2 + 6OH- = 2MnO2 + 4H2O + 8OH- + 3SO4-2 +3H2O
2MnO2 - + H2O + 3SO3-2 = 2MnO2 + 2OH- + 3SO4-2
2KMnO4 + 3Na2SO3 + H2O = 2MnO2 + 3Na2SO4 + 2KOH
7) KJ + KJO3 + H2SO4 → J2 + K2SO4 + H2O
2J- - 2e = J20 } 5
2JO3- + 12H+ + 10e = J2 + 6H2O } 1
____________________________
10J- + 2JO3- + 12H+ = 5J2 + J2 + 6H2O
10KJ + 2KJO3 + 6H2SO4 = 6J2 + 6K2SO4 + 6H2O
5KJ + KJO3 + 3H2SO4 = 3J2 + 3K2SO4 + 3H2O
8) KJ + KMnO4 + H2SO4 → J2 + MnSO4 + K2SO4 + H2O
2J- - 2e = J20 } 5
MnO4- + 8H+ + 5e = Mn2+ + 4H2O } 2
_________________________________
10J- + 2MnO2- + 16H+ = 5J2 + 2Mn2+ + 8H2O
10KJ + 2KMnO4 + 8H2SO4 = 5J2 + 2MnSO4 + 6K2SO4 + 8H2O
9) KJ + NaNO2 + H2SO4 = J2 + NO + K2SO4 + Na2SO4 + H2O
2J- - 2e = J20 } 1
NO2- + 2H+ +1e = NO + H2O } 2
________________________________
2J- + 2NO2- + 4H+ = J2 + NO + H2O
2KJ +2NaNO2 + 2H2SO4 = J2 + 2NO + K2SO4 + Na2SO4 + 2H2O
Реакции самоокисления - самовосстановления, когда степень окисления одного и того же элемента и повышается, и понижается, называются реакциями диспропорционирования. Примером служит реакция хлора с едким кали:
Вам также может быть полезна лекция "Представления слепых и слабовидящих".
10. 2Cl2 + 6KOH = 5KCl + KClO3 + 3H2O
Cl0 - 5e = Cl+5 } 1
Cl0 + 1e = Cl- } 5
_____________
3Cl2 = Cl+5 + 5Cl-
В этой реакции хлор выступает и как восстановитель, и как окислитель.