Общая и неорганическая химия с нуля. Составление формул по валентности

3-е изд., испр. — М.: Химия, 2000 — 480 с. Пособие по химическим свойствам неорганических соединений 105 элементов Периодической системы Менделеева. Носит информационно-справочный характер, содержит сведения о 3500 веществах, имеет четко разработанную структуру, снабжено указателями, позволяющими легко найти нужное соединение или уравнение реакции. Для студентов химических специальностей вузов. Прекрасное дополнение

М.: Высшая школа, 1988 — 431 с. Изложены современные представления о стехиометрии, термохимии, эргохимии, основах химической кинетики и начала учения о строении атомов молекул, жидкостей, кристаллов и соединений с невалентными связями в свете фундаментальных законов естествознания: сохранения массы-энергии, сохранения заряда и периодического закона элементов Д. И. Менделеева. Большое внимание уделено

М.: Изд. "Химия", 1973. — 656 с., 688 с. Книга является первым томом двухтомной монографии, суммирующей основные особенности химии всех химических элементов. Она охватывает вводные разделы и сведения по VII, VI, V, IV группам периодической системы, а также инертным газам (включая их основные соединения). Из общих вопросов химии, не вошедших

М.: Мир, 1979 — 680 с. По своему характеру книга представляет собой современное учебное пособие по общей и неорганической химии. Авторы ее хорошо известны советскому читателю своими исследованиями по неорганической, металлорганической и физической химии, за которые один из них - Дж. Уилкинсон - был удостоен Нобелевской премии, а также по

М.: 1998, — 559 с. «Победитель конкурса учебников» — первый учебник, предназначенный для бакалавров и подготовленный в соответствии с образовательным стандартом для технических направлений и специальностей вузов. Изложены современные представления о строении атомов и химической связи и рассмотрены энергетика и кинетика химических реакций, комплексные соединения, химия твердого тела и растворов,

М.: Высшая школа, 1997. — 527 с. В учебнике по-новому излагаются вопросы химической атомистики и стехиометрические законы химии. Даны современная трактовка фундаментальных законов химии, квантово-химическая трактовка природы химической связи, учение о химических процессах, основы химии межмолекулярного взаимодействия, включая комплексообразование. Наряду с жидкими растворами большое внимание уделено химии твердых растворов. Материал

М.: 2004, — 512 с. Изложены основы энергетики химических реакций, химической термодинамики, химической кинетики, строения атома, химической связи и строения молекул, а также основные положения координационной теории комплексных соединений. Приведены сведения по химии элементов и их соединений, основное внимание уделено химическим свойствам свободных металлов и их важнейших соединений. В конце

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.

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»

Кафедра неорганической химии

ОБЩАЯ И НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Методические указания и контрольные задания для студентов 1-го курса

факультета заочного обучения

Санкт-Петербург

Общая и неорганическая химия: Метод. указания и контрольные задания для студентов 1-го курса факультета заочного обучения / А.Н.Беляев, А.В.Еремин, А.И.Фишер / Под общ. ред. д.х.н., проф. А.Н.Беляева.– СПб.: СПбГТИ (ТУ). 2006. – 105 c.

Методические указания предназначены для студентов 1-го курса специальностей 240501– Химическая технология высокомолекулярных соединений, 240501– Химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов, 280202 – Инженерная защита окружающей среды факультета заочного обучения СПбГТИ (ТУ). Даны рекомендации для работы над основными практическими темами курса «Общая и неорганическая химия», приведены примеры решения качественных и расчетных задач, а также варианты и задания контрольных и курсовых работ.

Составители: А.Н.Беляев, А.В.Еремин, А.И.Фишер

Утверждены на заседании Ученого совета химического отделения СПбГТИ (ТУ) 19 мая 2006 г. (протокол № 8)

ВВЕДЕНИЕ

Цель курса «Общая и неорганическая химия» состоит в формировании у студентов заочной формы обучения химического мышления; создании фундаментальных знаний теоретической химии, химии элементов и практически важных химических свойств элементов и их соединений.

Для этого необходимо:

1. Усвоить основные законы, теории, принципы и правила общей химии, применимые ко всем химическим дисциплинам:

описание на основе Периодического закона Д.И.Менделеева взаимосвязи свойств химических элементов и их соединений.

выявление зависимости состава, структуры, реакционной способности соединений от электронного строения атомов.

2. Ознакомиться со свойствами химических элементов и некоторых наиболее употребляемых соединений. Это создаст фундамент химического образования для обучения студентов другим химическим (органическая химия, физическая химия, аналитическая химия, коллоидная химия) и специальным дисциплинам.

Работа студента заочной формы обучения над курсом общей и неорганической химии включает самостоятельное изучения материала по учебникам и учебным пособиям, выполнение контрольных заданий и лабораторного практикума, а также посещения лекций во время экзаменационной сессии, сдачи зачета и экзамена.

Настоящие методические указания содержат 4 основных раздела, соответствующих программе по общей и неорганической химии для студентов 1-го курса специальностей 240501– Химическая технология высокомолекулярных соединений, 240501– Химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов, 280202 – Инженерная защита окружающей среды. В методических указаниях приводятся содержание тем по программе и последовательность их расположения, в соответствии скоторыми следует изучать дисциплину.

В процессе изучения курса общей и неорганической химии студенты выполняют 6 контрольных работ, каждая из которых является формой методической помощи студентам при изучении предмета. К выполнению контрольной работы можно приступать только при изучении определенного разделакурса.

Контрольная работа должна быть аккуратно оформлена; для замечаний рецензента следует оставлять широкие поля, писать четко и ясно, номера и условия задач переписывать в том порядке, в котором они указаны в задании. При решении задач нужно приводить весь ход решения и математические преобразования.

Если работа не зачтена, студент должен внести исправления в соответствии с указаниями рецензента. Исправления следует выполнять в конце тетради, а не в рецензируемом тексте. Работа должна быть датирована и подписана студентом.

Каждый студент выполняет варианты контрольных заданий и курсовых работ, обозначенных начальной буквой фамилии студента. Контрольная работа, выполненная не по своему варианту, преподавателем не рецензируется и не засчитывается.

Наряду с контрольными заданиями студенты должны выполнить лабораторный практикум, посетить лекции и практические занятия в период лабораторно-экзаменационной сессии. Выполнив лабораторный практикум, студенты сдают зачет.

К сдаче экзамена допускаются студенты, которые выполнили контрольные задания и сдали зачет по лабораторному практикуму.

1. Основные понятия и основные стехиометрические законы химии. Периодический закон и Периодическая система элементов.

Классы неорганических соединений. Строение атома. Химическая связь и строение молекул

Основным критерием усвоения разделов «Основные понятия и основные стехиометрические законы химии» и «Способы выражения концентрации растворов» является умение студента решать расчетные задачи.

Особенно следует обратить внимание на задачи с использованием относительной плотности одного газа по другому, а также на решение задач с участием газообразных веществ, для которых целесообразно использовать следствие из закона Авогадро (закон объемных отношений).

В представленных методах решения задач показано, как, используя стехиометрические законы химии (закон сохранения массы, постоянства состава, кратных отношений, газовые законы и следствия из них), осуществляются расчеты масс и объемов веществ, участвующих в химических реакциях, определяются молярные, относительные молекулярные и атомные массы, устанавливаются эмпирические и истинные формулы соединений, вычисляются массовые доли элемента по его формуле и наоборот.

Раздел «Способы выражения концентрации растворов» можно отнести к одному из наиболее сложных, несмотря на то, что объем общих теоретических представлений здесь невелик и исчерпывается знанием и пониманием следующих понятий: массовая и молярная доли компонентов (выражаются в долях единицы или в процентах), а также молярная и моляльная концентрации.

При изучении раздела «Периодический закон и Периодическая система элементов» необходимо обратить внимание на следующие вопросы: сущность периодического закона (четко различая понятия «периодический закон» и «периодическая система химических элементов»), связь между степенями окисления элементов и их положением в таблице элементов (только для s- и p-элементов), металлическим и неметаллическим характером элемента, закономерности в изменениях основных и кислотных свойств оксидов и гидроксидов элементов в группах и рядах Периодической системы.

Отражая взаимосвязь между классами неорганических соединений, необходимо помнить, что в основе кислотно-основных свойств оксидов и гидроксидов (кислот и оснований) лежат реакции получения солей, а не реакции взаимодействия оксидов с водой. Необходимо четко представлять как доказать основной, кислотный или амфотерный характер оксида с точки зрения их способности к реакциям солеобразования.

Рассматривая класс кислот, следует остановиться на существовании мета-, орто- и диформ, а также на написании их графических формул.

Кроме того, студент должен уметь писать реакции образования кислых солей, образующихся при взаимодействии многоосновной кислоты и основания, взятых в заданных стехиометрических соотношениях. Уметь называть образующиеся соли по международной номенклатуре.

В разделе «Строение атома» от студента, прежде всего, требуется умение записывать электронные и электронно-графические формулы валентного электронного слоя атомов всех периодов периодической системы, используя представления о четырех квантовых числах:n – главном,l – орбитальном (азимутальном),m l – магнитном иm s – спиновом. Помнить о том, что порядок заполнения электронами уровней и подуровней в атомах элементов осуществляется последовательно в порядке возрастания их энергии: 1s < 2s < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p и т.д. Обязательно знать принцип Паули и правило Хунда. Иметь представление о валентности и валентных возможностях атомов.

Изучая раздел «химическая связь и строение молекул», особое внимание следует уделить понятию о гибридизации атомных орбиталей и геометрической форме молекулы или ее отдельного фрагмента.

1.2 Примеры ответов на вопросы разделов

Пример 1. Найдите количество вещества хлора, содержащегося в 11,2 л (н.у.). Определите объем (н.у.), занимаемый хлором, массой 14,18 г.

1. Единицей измерения количества вещества (символ – «n») является моль. Объем, занимаемый одним молем* любого газа при нормальных условиях, равен22,4 л. Поэтому количество вещества хлора, содержащегося в 11,2 л, находим из соотношения:

2. Молярная масса хлора: M Cl 2 = 70,9 г/моль. Следовательно, 14,18 г хлора соответствуют количеству вещества:

V Cl 2 =n Cl 2 ·V m = 0,2 моль · 22,4 л/моль = 4,48 л.

Пример 2. Газ массой 8,8 г при нормальных условиях занимает объем 4,48 л. Рассчитайте молярную массу газа, массу его молекулы в граммах и количество молекул, содержащихся в 2,2 г этого газа.

* иначе – молярный объем, символ «V m »

нормальные условия – совокупность нормального давления p н = 101,325 кПа (1 атм) и нормальной температурыT н = 273,15 K (0 C). Часто нормальные условия обозначают аббревиатурой «н.у.».

1. Количество вещества газа можно выразить как отношение его объема к молярному объему V m , равному для любого газа 22,4 л/моль при нормальных условиях:

Тогда молярная масса газа может быть определена как отношение его массы к количеству вещества:

2. Постоянная Авогадро, NA = 6,022·10 23 моль –1 – это количество формульных единиц (например, молекул), содержащихся в 1 моле вещест-

ва. Поскольку в данном случае масса 1 моля газа составляет 44 г, то масса одной молекулы равна:

3. Зная молярную массу газа, можно найти его количество вещества, соответствующее массе 2,2 г:

Тогда количество молекул газа, содержащихся в 2,2 г, будет определяться как произведение количества вещества и постоянной Авогадро:

N =n ·N A = 0,05 моль · 6,02·1023 моль–1 = 3,01·1022 молекул.

Пример 3. Какой объем воздуха, приведенный к нормальным условиям, потребуется для сжигания 4 г углерода?

1. Из уравнения C + O2 = CO2 следует, что на окисление определенного количества вещества углерода расходуется такое же количество вещества кислорода:n C =n О 2 . Следовательно, сначала необходимо отыскать количество вещества углерода массой 4 г:

2. Объем кислорода находим как произведение его израсходованного количества вещества, n О 2 =n C = (1/3) моль, на молярный объемV m :

V О 2 =n О 2 ·V m = (1/3) моль · 22,4 л/моль = 7,47 л.

3. Объемная доля кислорода в воздухе,

составляет 0,21. Значит, для сжигания углерода воздуха потребуется:

V возд. V O 2 7,47 л 35,6 л.

цO 2 0,21

Пример 4. Известно, что оксид некоторого металла содержит 19,66 % кислорода, а 1 моль его способен взаимодействовать с 1 молем серной кислоты. Какое количество вещества этого металла способно вытеснить 6,35 г меди из раствора сульфата меди(II)?

Если 1 моль оксида металла способен реагировать только с 1 молем серной кислоты, то степень окисления металла не может превышать двух и формула оксида должна иметь вид MO или M2 O (M – обозначение элемента металла):

MO + H2 SO4 = MSO4 + H2 O,

M2 O + H2 SO4 = M2 SO4 + H2 O.

В противном случае, для взаимодействия с 1 молем металла потребуется больше 1 моля кислоты, например:

M2 O3 + 3H2 SO4 = M2 (SO4 )3 + 3H2 O.

Для массовой доли кислорода в оксиде можно записать следующее выражение:

где γ – формульный индекс металла в оксиде (равный единице, если формула оксида MO, или двум, если формула оксида M2 O). Выразим из этого уравнения γ·M M :

M O = ωO ·γ·M M + ωO ·M O ,

г M M M O 1 щ O 16 (1 0,1966) г/моль 65,38 г/моль.

щO 0,1966

Затем по таблице Д.И.Менделеева отыскиваем металл с относительной атомной массой 65,38 или 65,38/2 = 32,69 (полагая, что γ = 2). Таким металлом является цинк. Металла с относительной атомной массой 32,69 нет.

Найдя количество вещества меди массой 6,35 г:

по уравнению реакции взаимодействия сульфата меди(II) с цинком:

CuSO4 + Zn = ZnSO4 + Cu,

определяем, что на восстановление 0,1 моля меди расходуется 0,1 моль цинка.

Пример 5. При сжигании 0,23 г органического вещества образовалось 0,27 г воды и 224 мл CO2 (н.у.). Относительная плотность пара вещества по водороду составляет 23. Найдите формулу соединения.

Определяем количество вещества атомарных водорода и углерода, содержащихся в 0,27 г воды и в 224 мл CO2 :

Молярная масса органического вещества может быть определена по относительной плотности его паров:

M =D H 2 ·M H 2 = 23 · 2 г/моль = 46 г/моль. Теперь можно отыскать его количество вещества:

Количество атомарных водорода и углерода превышает количество самого вещества, в состав которого они входят, соответственно, в 6 и 2 раза. Это означает, что в составе одной молекулы рассматриваемого органического вещества находится 6 атомов водорода и 2 атома углерода. Именно так получаем формульные индексы этих элементов:

г H n n H 0,0050,03 6, г C n n C 0,0050,01 2.

Возможная формула вещества, т.о., C2 H6 . Однако молярная масса C2 H6 составляетM C 2 H 6 = 30 г/моль, что ниже вычисленного ранее значения. Следовательно, в состав вещества должен входить еще один элемент, которым, в данном случае, может быть только кислород.

Так как разность между молярной массой рассматриваемого вещества и молярной массой C2 H6 равнаM –M C 2 H 6 = (46 – 30) г/моль = 16 г/моль, то в состав молекулы этого вещества входит один атом кислорода. Итак, формула органического вещества – C2 H6 O.

Пример 6. Вычислите массу 25 л хлора при 20 ºС и давлении

Решение: Способ №1.

Температура T = 20 ºС и давлениеp = 98,64 кПа – это не нормальные условия. Поэтому, возможно, молярный объем хлора при таких условиях

не равен 22,4 л/моль. В этом способе решения задачи выясним, какой объем занимал бы хлор, если бы он находился при нормальных условиях.

В общем, для приведения объемов газов от одних условий (температуры и давления) к другим пользуются объединенным газовым законом Бойля–Мариотта и Гей-Люссака:

Итак, приведем объем хлора к нормальным условиям:

Так как при этих условиях 1 моль любого газа занимает объем 22,4 л, то количество вещества хлора составит:

Наконец, определим массу хлора:

m Cl 2 =n Cl 2 ·M Cl 2 = 1,01 моль · 70,9 г/моль = 71,6 г.

Способ №2.

Воспользуемся уравнением Клапейрона–Менделеева:

p Cl2 V Cl2 M m Cl 2 RT Cl2 , Cl 2

выразив из него массу хлора:

Пример 7. Массовая доля кислорода в оксиде составляет 47,06 %. Степень окисления элемента в оксиде равна +3. Какой это элемент?

Зная, что степень окисления кислорода в оксиде равна –2, эмпирическую формулу оксида можно записать как Э2 О3 («Э» – символ элемента). Для массовой доли кислорода в оксиде Э2 О3 можно записать следующее выражение:

откуда выразим M Э :

3·M О = 2·ωО ·M Э + 3·ωО ·M О ,

Общая химия. Неорганическая химия.

Предмет и задачи химии

Современная химия является одной из естественных наук и представляет собой систему отдельных дисциплин: общей и неорганической химии, аналитической химии, органической химии, физической и коллоидной химии, геохимии, космохимии и т.п.

Химия - наука, изучающая процессы превращения веществ, сопровождающиеся изменением состава и структуры, а также взаимные переходы между этими процессами и другими формами движения материи.

Таким образом, главным объектом химии как науки является вещества и их превращения.

На современном этапе развития нашего общества забота о здоровье человека является задачей первостепенной важности. Лечение многих заболеваний стало возможным благодаря достижениям химии в области создания новых веществ и материалов: лекарственных средств, заменителей крови, полимеров и полимерных материалов.

Не имея глубоких и разносторонних знаний в области химии, не понимая значения положительного или отрицательного влияния различных химических факторов на здоровье человека и окружающую его среду, нельзя стать грамотным медицинским работником.

Общая химия. Неорганическая химия.

Неорганическая химия - это наука элементов периодической системы и образованных ими простых и сложных веществ.

Неорганическая химия неотделима от общей химии. Исторически при изучении химического взаимодействия элементов друг с другом были сформулированы основные законы химии, общие закономерности протекания химических реакций, теория химической связи, учение о растворах и многое другое, что составляет предмет общей химии.

Таким образом, общая химия изучает теоретические представления и концепции, составляющие фундамент всей системы химических знаний.

Неорганическая химия давно перешагнула стадию описательной науки и в настоящее время переживает свое «второе рождение» в результате широкого привлечения квантово-химических методов, зонной модели энергетического спектра электронов, открытия валентно-химических соединений благородных газов, целенаправленного синтеза материалов с особыми физическими и химическими свойствами. На основе глубокого изучения зависимости между химическим строением и свойствами она успешно решает главную задачу - создание новых неорганических веществ с заданными свойствами.

2. Методы общей и неорганической химии.

Из экспериментальных методов химии важнейшим является метод химических реакций. Химическая реакция - превращение одних веществ в другие путем изменения состава и химического строения. Химические реакции дают возможность исследовать химические свойства веществ. По химическим реакциям исследуемого вещества можно косвенно судить о его химическом строении. Прямые же методы установления химического строения в большинстве своем основаны на использовании физических явлений.

Также на основе химических реакций осуществляется и неорганический синтез, который за последнее время достиг большого успеха, особенно в получении особо чистых соединений в виде монокристаллов. Этому способствовали применение высоких температур и давлений, глубокого вакуума, внедрение бесконтейнерных способов очистки и т.п.

При проведении химических реакций, а также при выделении веществ из смеси в чистом виде важную роль играют препаративные методы: осаждение, кристаллизация, фильтрование, сублимация, перегонка и т.п. В настоящее время многие из этих классических препаративных методов получили дальнейшее развитие и являются ведущими в технологии получения особо чистых веществ и монокристаллов. Это методы направленной кристаллизации, зонной перекристаллизации, вакуумной сублимации, фракционной перегонки. Одна из особенностей современной неорганической химии это синтез и исследование особо чистых веществ на монокристаллах.

Методы физико-химического анализа широко применяются при изучении растворов и сплавов, когда образующиеся в них соединения трудно или практически невозможно выделить в индивидуальном состоянии. Тогда исследуют физические свойства систем в зависимости от изменения состава. В результате строят диаграмму состав - свойства, анализ который позволяет делать заключение о характере химического взаимодействия компонентов, образование соединений и их свойствах.

Для познания сущности явления одних экспериментальных методов недостаточно, поэтому Ломоносов говорил, что истинный химик должен быть теоретиком. Только через мышление, научную абстракцию и обобщение познаются законы природы, создаются гипотезы и теории.

Теоретическое осмысление опытного материала и создание стройной системы химических знаний в современной общей и неорганической химии базируется на: 1) квантово-механической теории строения атомов и периодической системе элементов Д.И. Менделеева; 2) квантово-химической теории химического строения и учении о зависимости свойств вещества от «его химического строения; 3) учении о химическом равновесии, основанной на понятиях химической термодинамики.

3. Фундаментальные теории и законы химии.

К числу основополагающих обобщений химии и естествознания относятся атомно-молекулярная теория, закон сохранения массы и энергии,

Периодическая система и теория химического строения.

а) Атомно-молекулярная теория.

Создатель атомно-молекулярного изучения и первооткрыватель закона сохранения массы веществ М.В. Ломоносов по праву считается основателем научной химии. Ломоносов четко различал две ступени в строении вещества: элементы (в нашем понимании - атомы) и корпускулы (молекулы). Согласно Ломоносову, молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, а молекулы сложных веществ - из разных атомов. Всеобщее признание атомно-молекулярная теория получила в начале XIX века после утверждения в химии атомистики Дальтона. С тех пор главным объектом исследования химии стали молекулы.

б) Закон сохранения массы и энергии.

В 1760 г. Ломоносов сформулировал единый закон массы и энергии. Но до начала XX в. эти законы рассматривались независимо друг от друга. Химия в основном имела дело с законом сохранения массы вещества (масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции).

Например: 2КСlO 3 = 2 КСl + 3O 2

Слева: 2 атома калия Справа: 2 атома калия

2 атома хлора 2 атома хлора

6 атомов кислорода 6 атомов кислорода

Физика имела дело с законом сохранения энергии. В 1905 г. основоположник современной физики А. Эйнштейн показал, что между массой и энергией существует взаимосвязь, выражаемая уравнением Е = mс 2 , где Е - энергия, m - масса; с - скорость света в вакууме.

в) Периодический закон.

Важнейшая задача неорганической химии заключается в изучении свойств элементов, в выявлении общих закономерностей их химического взаимодействия между собой. Самое крупное научное обобщение в решении этой проблемы сделал Д.И. Менделеев, открывший Периодический закон и его графическое выражение - Периодическую систему. Только вследствие этого открытия стало возможным химическое предвидение, предсказание новых фактов. Поэтому Менделеев является основателем современной химии.

Периодический закон Менделеева является основой естественной
систематики химических элементов. Химический элемент - совокупность
атомов с одинаковым зарядом ядра. Закономерности изменения свойств
химических элементов определяются Периодическим законом. Учение о
строении атомов объяснило физический смысл Периодического закона.
Оказалось, что периодичность изменения свойств элементов и их соединений
зависит от периодически повторяющейся сходной структуры электронной
оболочки их атомов. Химические и некоторые физические свойства зависят от
структуры электронной оболочки, особенно ее наружных слоев. Поэтому
Периодический закон является научной основой изучения важнейших свойств элементов и их соединений: кислотно-основных, окислительно-восстановительных, каталитических, комплексообразовательных, полупроводниковых, металлохимических, кристаллохимических, радиохимических и т.п.

Периодическая система также сыграла колоссальную роль в учении о естественной и искусственной радиоактивности, освобождении внутриядерной энергии.

Периодический закон и Периодическая система беспрерывно развиваются и уточняются. Доказательством тому служит современная формулировка Периодического закона: свойства элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра их атомов. Таким образом, положительный заряд ядра, а не атомная масса, оказался более точным аргументом, от которого зависят свойства элементов и их соединений.

г) Теория химического строения.

Фундаментальная задача химии - изучение зависимости между химическим строением вещества и его свойствами. Свойства вещества являются функцией его химического строения. До A.M. Бутлерова считали, что свойства вещества определяются его качественным и количественным составом. Он впервые сформулировал основное положение своей теории химического строения. Таким образом: химическая натура сложной частицы определяется натурой элементарных составных частиц, количеством их и химическим строением. В переводе на современный язык это означает, что свойства молекулы определяются природой составляющих ее атомов, их количеством и химическим строением молекулы. Первоначально теория химического строения относилась к химическим соединениям, имеющим молекулярную структуру. В настоящее время теория, созданная Бутлеровым, считается общехимической теорией строения химических соединений и зависимости свойств их от химического строения. Эта теория - продолжение и развитие атомно-молекулярного учения Ломоносова.

4. Роль отечественных и зарубежных ученых в развитии общей и

неорганической химии.