Пособие по неорганической химии

Фаина Лубенская

Пособие по неорганической химии

Автором данного пособия является Лубенская Ф. Л., Заслуженный учитель РСФСР и Отличник народного просвещения.

Выражается благодарность инженеру-химику Шиверской И. П., принявшей активное участие в редактировании текста данного пособия.

Химия – наука чудес, в ней скрыто счастье человеческое.

Широко простирает химия руки свои в дела человеческие.

Общая химия

Введение

Явления физические и химические

Происходящие с телами изменения называются явлениями.

Явления, при которых состав вещества остается неизменным – это физические явления. При физических явлениях происходит изменение формы, агрегатного состояния, температуры вещества.

Пример. При нагревании воды она будет испаряться, а при температуре ниже 0°C – превращаться в лед, однако ее состав при этих превращениях не изменяется.

Явления, при которых вещество претерпевает глубокие изменения, в результате чего получается вещество с новыми свойствами, называются химическими явлениями.

Химические явления составляют основу жизни всей природы.

Химические процессы (вместе с физическими) определяют состав нашей планеты. Эти же процессы создают почву, ткани растений и животных.

Химические изменения поддерживают жизнь всех организмов. В результате химических явлений происходит превращение одних веществ в другие, т.е. изменяется состав молекул – образуются молекулы новых веществ.

Примеры химических явлений. Железо во влажном воздухе покрывается ржавчиной – образуется оксид железа (Fe2O3). Медные пластины при нагревании теряют свой блеск и покрываются налетом черного цвета: оксидом меди (CuO). Лента металлического магния горит ослепительно ярким светом, образуя порошок белого цвета – оксид магния (MgO).

Процесс превращения одних веществ в другие, отличающиеся составом и свойствами от исходных веществ – называется химической реакцией.

Химическая реакция – это процесс превращения одних веществ в другие без изменения общего числа и природы атомов, из которых эти вещества состоят.

Способ выражения химической реакции, его качественной и количественной сторон – это уравнение химической реакции, где отражены химические формулы и уравнения, описывающие состав и их химическое строение.

Пример химической реакции:

NaOH + HCl = NaCl + H2O

Уравнения химических реакций основаны на законе массы реагирующих веществ (М. В. Ломоносов). Поскольку при химических реакциях атомы сохраняются, масса атомов, вступивших в реакцию, в точности равна массе атомов, содержащихся в продуктах реакции – это количественная сторона химической реакции.

Атомно-молекулярное учение в химии

Атомно-молекулярное учение в химии окончательно утвердилось в середине XIX в. На международном съезде химиков г. Карлсруэ в 1860 г. были приняты определения понятий молекулы и атома.

Молекула – это наименьшая частица данного вещества, способная существовать самостоятельно и обладающая его химическими свойствами. Химические свойства молекулы определяются ее составом и химическим строением.

Атом – мельчайшая химически неделимая электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Атомы находятся в природе в различных формах: входят в состав простых и сложных веществ, существуют в виде ионов или одиночных атомов.

Химические элементы

Химическим элементом называется каждый отдельный вид атомов. Важнейшей характеристикой атома является положительный заряд его ядра. Таким образом, химический элемент – это определенный вид атомов с одинаковым положительным зарядом ядра.

Простые и сложные вещества. Аллотропия

Простые вещества – это вещества, образованные из атомов одного элемента.

Простое вещество отличается от понятия "химический элемент" тем, что простое вещество имеет определенный химический состав, строение, физические и химические свойства.

Пример. Простое вещества железо образовано атомами элемента железа, простое вещество азот – атомами элемента азота. Молекулы простых веществ могут состоять из одного (He, Ne), двух (О2, N2, Н2) и большего числа атомов (О3 – озон) одного элемента.

Многие химические элементы образуют несколько простых веществ, различных по строению и свойствам. Это явление называется аллотропией, а образующиеся вещества – аллотропными видоизменениями или модификациями.

Пример. Элемент кислород образует две аллотропные модификации – кислород О2 и озон О3; элемент углерод – три: алмаз, графит и карбин.

Явление аллотропии вызывается двумя причинами:

1. Различным числом атомов в молекуле (например, кислород О2 и озон О3);

2. Образованием различных кристаллических форм (например – алмаз, графит, карбин).

Сложные вещества, или химические соединения – это вещества, образованные атомами разных элементов, т.е. это устойчивая совокупность частиц (атомов, молекул, ионов), обладающая определенным составом, физическими и химическими.

Пример. Поваренная соль (NaCl) образована атомами элементов натрия и хлора, вода (Н2О) – атомами элементов водорода и кислорода.

Относительная атомная масса

Относительная атомная масса элементов – физическая величина, которая показывает, во сколько раз средняя масса атомов данного химического элемента больше 1/12 части массы атома углерода-12.

Относительные атомные массы (сложившийся термин – атомная масса) обозначается как Аr, где индекс r – начальная буква английского слова – relative – относительный.

Относительная молекулярная масса

Относительная молекулярная (формульная) масса – физическая величина, равная отношению средней массы структурной единицы данного химического вещества к 1/12 части массы атома углерода-12.

Относительная молекулярная масса показывает, во сколько раз масса молекулы данного вещества больше 1/12 массы углерода-12.

Моль. Молярная масса

Моль – это количество вещества, пропорциональное числу элементарных структурных единиц, составляющих данную порцию вещества. Зная массу одного атома углерода 1,993·10–26 кг, можно вычислить число атомов (NA) в 0,012 кг углерода:

NA = 0,012 кг / 1,993·10–26 кг = 6,02·1023

Величина NA называется постоянной Авогадро.

Химические уравнения записывают с помощью химических формул и знаков. Они служат для изображения химических реакций и отражают закон сохранения массы веществ.

В каждом уравнении имеется две части, соединенных знаком равенства. В левой части записывают формулы веществ, вступающих в реакцию, в правой – формулы веществ, образующихся в результате реакции. Число атомов каждого элемента в левой и правой частях уравнения должно быть одинаковым.

Пример:

2 Са + О2 = 2СаО.

Основные законы химии

1. Закон сохранения массы вещества – масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.

Пример. При взаимодействии двух атомов молекул водорода и хлора образуется две молекулы хлористого водорода:

Н2 + Cl2 = 2HCl

Поскольку атомы имеют постоянную массу, не меняется и масса веществ до и после реакции.

2. Закон постоянства состава – всякое чистое вещество независимо от способа его получения всегда имеет постоянный качественный и количественный состав.

Пример. Углекислый газ можно получить различными способами:

– из углерода и кислорода:

С + О2 = СО2;

– из оксида углерода и кислорода:

2 СО + О2 = 2СО2;

– действием кислот на карбонаты:

СаСО3 + 2HCl = СО2 + CaCl2 + H2O и др.

Независимо от способа получения, во всех случаях чистый оксид углерода будет иметь приведенный выше состав.

3. Газовые законы. Закон Авогадро. Молекулярный объем газа.

Закон объемных отношений – объемы вступающих в реакцию газов при одинаковых условиях (температуре и давлении) относятся друг к другу как простые целые числа.

Пример. 1 л хлора соединяется с 1 л водорода, образуя 2 л хлористого водорода:

Н2 + Cl2 = 2HCl,

или 2 л оксида серы (IV) соединяются с 1 л кислорода, образуя 2 л оксида серы (VI):

2 SO2 + O2 = 2SO3.

Закон Авогадро – в равных объемах различных газов при одинаковых условиях (температура и давление) содержится одинаковое число молекул, т.е. 1 моль любого газа занимает одинаковый объем – 22,4 л/моль.

Пример расчета. При нормальных условиях, т.е. температуре 273 К и давлении 101 325 Па, масса 1 л водорода равна 0,09 г.

Молекулярная масса его равна

1,008×2 = 2,016 г/моль,

тогда объем, занимаемый 1 моль водорода, равен

2,016 г/моль:0,09 г/л = 22,4 л/моль.

При тех же условиях, масса 1 л кислорода равна 1,429 г, а его молекулярная масса – 32 г/моль, тогда объем газа равен

32 г/моль:1,429 г/л = 22,4 л/моль.

Следовательно, при нормальных условиях 1 моль различных газов занимает объем, равный 22,4 л. Этот объем называется молярным объемом газа.

Молярный объем газа – это отношение объема газа при данных условиях к количеству вещества этого газа:

VM = V(В)/n(В),

где VM и V(В) – соответственно молярный объем и объем газа В при данных условиях; n(В) – количества вещества газа В.

Строение атома

Атом состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг ядра электронов. Атом электронейтрален, поэтому суммарный заряд электронов равен Состав атомных ядер

Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Массы протона (1,673×10–27кг) и нейтрона (1,675×10–27кг) практически равны и равны примерно одной атомной единице массы (1,66×10–27). Протон обладает зарядом +1, заряд нейтрона равен 0 – частица электронейтральна.

Число протонов в атоме носит название протонного числа. Оно равно атомному номеру элемента. Атомный номер элемента называют также порядковым номером, говоря о месте элемента в периодической системе. Сумма чисел протонов (Z) и нейтронов (N) соответствуют массовому числу (А). Эти параметры связаны между собой соотношениями:

А=Z+N; Z=A-N; N=A-Z.

Пример:

2311Na 23–11=12 нейтронов;

3919K 39–19=20 нейтронов.

Атом с определенным значением атомного номера (протонного числа) и массового числа (нуклонного числа) называется нуклидом. Нуклиды с одинаковым зарядом ядра, но различными массовыми числами (А), т.е. числом нейтронов, называются изотопами (3517Cl и 3717Cl; 168O и 178О).

Состояние электрона в атоме

Большинство свойств атома определяются его электронным строением. Согласно квантово-механическим представлениям, движущемуся электрону присуща двойственная природа – дуализм. Электрон – это частица, которая имеет определённую массу и заряд. Его движение вокруг ядра носит волновой характер. Состояние электрона в атоме описывается с помощью квантово-механической модели – электронного облака. Электронная плотность облака неравномерна. По мере удаления от ядра электронная плотность возрастает и достигает максимального значения на расстоянии 0,053 нанометров (нм).

Электроны в атоме находятся лишь в определенных квантовых состояниях, соответствующих определенным значениям его энергии связи с ядром.

Значение энергии электрона является главным квантовым числом, которое может принимать только целостные значения n = 1,2,3 ….∞.

Пространство вокруг ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называется атомной электронной орбиталью, или просто орбиталью. В зависимости от энергии электронов, орбитали имеют различные формы и размеры. Орбиталь, имеющая сферическую форму, обозначается буквой s, а электроны, образующие эту орбиталь, называются s-электронами.