Простые и сложные вещества

Для систематизации информации об известных науке вещест­вах их объединяют в группы по сходности состава, строения и химических свойств. Все вещества можно разделить на две об­ширные группы — простых и сложных веществ.

Простые вещества — это вещества, образованные из атомов одного элемента.______________________________________

Например, простое вещество уголь образовано атомами эле­мента углерода, простое вещество железо — атомами элемента железа, простое вещество азот — атомами элемента азота.

Так, оксид меди (II) образован атомами элементов меди и кислорода, вода — атомами элементов водорода и кислорода.

Понятие «простое вещество» нельзя отождествлять с поняти­ем «химический элемент». Простое вещество характеризуется определенной плотностью, растворимостью, температурой кипе­ния и плавления и т.п. Эти свойства относятся к совокупности атомов, и для разных простых веществ они различны. Химичес­кий элемент характеризуется определенным положительным за­рядом ядра атома (порядковым номером), степенью окисления, изотопным составом и т.д. Свойства элементов относятся к его отдельным атомам. Сложные вещества состоят не из простых ве­ществ, а из элементов. Например, вода состоит не из простых веществ кислорода и водорода, а из элементов кислорода и водо­рода. Названия элементов обычно совпадают с названиями соот­ветствующих им простых веществ (исключения: углерод и одно из простых веществ кислорода — озон).

Многие химические элементы образуют несколько простых веществ, различных по строению и свойствам. Это явление назы­вается аллотропией, а образующиеся вещества — аллотропными видоизменениями или модификациями. Так, элемент кислород образует две аллотропные модификации — кислород и озон; эле­мент углерод — три: алмаз, графит и карбин; несколько модифи­каций образует элемент фосфор.

Явление аллотропии вызывается двумя причинами:

1) различным числом атомов в молекуле (например, кислород O2 и озон О3) или

2) образованием различных кристаллических форм (например, алмаз, графит и карбин, см. §7.2).

Простые вещества делят на металлы и неметаллы. Неметал­лов известно всего 22. Это водород, гелий, бор, углерод, азот, кислород, фтор, неон, кремний, фосфор, сера, хлор, аргон, мы­шьяк, селен, бром, криптон, теллур, йод, ксенон, астат, радон.

Сложные вещества можно разделить на две большие катего­рии: неорганические и органические. К органическим веществам относятся практически все соединения углерода, за исключением его оксидов, солей угольной кислоты, карбидов и некоторых дру­гих. Органические вещества будут рассмотрены несколько позже.

Сложные неорганические вещества принято подразделять на четыре класса: оксиды, основания (гидроксиды), кислоты, соли. Кроме того, выделяют также класс комплексных соединений. Данная классификация является традиционной, но не отражает всего многообразия известных сложных неорганических ве­ществ. Так, например, аммиак (NH3), пентакарбонил железа (Fe(CO)5), гидрид лития (LiH), амид натрия (NaNH2) не учитыва­ются в этой схеме.

Рассмотрим поподробнее основные классы.

 

 

По химическим свойствам оксиды разделяются на солеобразующие и несолеобразующие.

Солеобразующие оксиды образуют три подкласса: кислот­ные, амфотерные и основные. Отнесение оксида к той или иной группе происходит на основе теории электролитической диссо­циации.

Кислотные оксиды — это оксиды неметаллов (SO2, SO3, CO2, Р2О5, и др.) и некоторых металлов в высоких степенях окисления (CrО3, Mn2О7 и др.).

Основные оксиды образуют металлы (Na2O, SrO, CuO)

Как видно из этого определения, амфотерные оксиды прояв­ляют свойства, характерные Как для кислотных, так и для основ­ных оксидов. Амфотерные свойства Проявляют оксиды металлов, с неярко выраженными металлическими свойствами. Например, Аl2О3, ZnO. Переходные металлы, для которых возможны не­сколько степеней окисления, также образуют амфотерные окси­ды. Например, Fe2O3, Cr2О3.

Необходимо отметить, что реакции оксидов с щелочами и кислотами, упоминающиеся в данных определениях и служащие для отнесения оксидов к той или иной группе, обязательно долж­ны проходить без изменения степени окисления.

К несолеобразующим оксидам относятся оксид углерода (II) СО, оксид азота (II) NO, оксид азота (I) N2O и некоторые другие.

Номенклатура оксидов

По принятым в настоящий момент правилам названия окси­дов состоят из слова «оксид», после которого ставится название элемента и в скобках римскими цифрами — степень окисления элемента в данном оксиде, если для этого элемента возможны несколько оксидов.

Например: FeO — оксид железа (II), Fe2O3 — оксид железа (III);

Cu2О — оксид меди (I), CuO — оксид меди (II); ]

N2O — оксид азота (I), NO — оксид азота (II), N2O3 — оксид азота (III), NO2 — оксид азота (IV), N2O5 — оксид азота (V)

 

Получение оксидов

Многие оксиды можно получить при окислении кислородом соответствующих простых веществ:

S+O2=SO2

4Р+5О2=2Р2О5

22=2Н2О

2Са+O2=2СаО

2Cu+02=2CuO

2Zn+O2=2ZnO

N2+O2=2NO (электр. разряд)

Оксиды щелочных металлов (Na2O, K2O и др.) таким способом получить нельзя, так как, будучи чрезвычайно активными, они образуют перекиси (Na2O2, K2O2).

Оксиды элементов в невысоких степенях окисления могут окисляться далее кислородом в соответствующих условиях:

2S+4O22=k2S+6O3

4Fe+2O+О2=2Fe+32O3

+2О + O2 = 2С+4O2

Гидроксиды многих металлов (но не щелочных) при нагрева­нии разлагаются на оксид металла и воду (оксид водорода):

Cu(OH)2=CuO+H2

Нагревание некоторых кислот приводит к их разложению на кислотный оксид и воду:

Некоторые соли кислородсодержащих кислот при нагрева­нии могут разлагаться на оксиды:

СаСO3=tСаО+СО2­

4Fe(NO3)2=t2Fe2O3+8NO2­+O2­

Окисление сульфидов тяжелых металлов кислородом (обжиг) приводит к образованию оксида металла и оксида серы (IV): 4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2 2CuS+3O2=2CuO+2SO2

Свойства оксидов

Основные оксиды

Основные оксиды взаимодействуют с растворами кислот с об­разованием соли (средней, кислой или основной) и воды. Это при­знак основных оксидов. В данном случае имеется в виду реакция без изменения степеней окисления.

СаО+H2SO4=CaSO42O

CuO+НСl=CuCl2+H2O

MgO+HCl=(MgOH)Cl

Оксиды щелочных и щелочноземельных металлов реагируют с водой с образованием гидроксидов: Li2O+Н2O=2LiОН К2О+Н2O=2КОН

ВаО+Н2О=Ва(ОН)2

Основные оксиды могут при нагревании взаимодействовать с кислотными и амфотерными оксидами с образованием солей. СаО + SiO2=CaSiO3 Na2O+Аl2O3=2NaAlO2

Многие оксиды металлов способны восстанавливаться до про­стых веществ:

CuO+Н2=Cu+Н2O

Кислотные оксиды

Любому кислотному оксиду соответствует кислородсодержа­щая кислота, в которой неметалл проявляет ту же степень окис­ления, что и в оксиде.

Кислотные оксиды реагируют с растворами щелочей с образо­ванием соли и воды. Так же, как и в случае основных оксидов, имеется в виду реакция без изменения степеней окисления. (Воз­можно также образование кислой или основной соли):

SO2+2NaOH=Na2SO32О

SO3+NaOH=NaHSO4

CO2+2Mg(OH)2=(MgOH)2CO3+H2O SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O

Кислотные оксиды, как правило, реагируют с водой. При этом образуется соответствующая кислота, если она растворима в воде.

SO22O = H2SO3

SO32O=H2SO4 Сl2O72О=2НClO4

 

 

 

Кислотные оксиды называют ангидридами соответствующих кислот. Например, сернистый ангидрид (SO2),.серный ангидрид (SO3), ангидрид хлорной кислоты (Сl2О7), фосфорный ангидрид

2O5).

Кислотные оксиды могут при нагревании взаимодействовать с основными и амфотерными оксидами с образованием солей. SiO2+BaO=BaSiO3; Р2O5+3Na2O=2Na3PO4; 3SO3+Al2O3=Al2(SO4)3

Кислотные оксиды могут выступать в окислительно-восста­новительных реакциях в качестве как восстановителя, так и окислителя.

Р2O5+5С=5СО+2Р;

SO22=SO3.

Амфотерные оксиды

Взаимодействие с растворами (и расплавами) щелочей с обра­зованием соли и воды и с растворами кислот с образованием соли и воды (без изменения степеней окисления).

Al2O3+2NaOH+7H2O=2Na[Al(OH)4•2Н2O] (раствор)

тетрагидроксиалюминат натрия

Al2O3+2NaOH=2NaAlO2+H2O (расплав) Аl2О3+6НСl=2АlСl3+3Н2О

Амфотерные оксиды при нагревании взаимодействуют с кис­лотными и основными оксидами с образованием солей. (Возмож­ны также реакции между двумя амфотерными оксидами, в кото­рых один выступает как основной, а другой как кислотный).

Fe2O3+CaO=CaFeO2

Fe2O3+FeO=Fe[FeO2]2

Fe2O3+SO3=Fe2(SO4)3

Амфотерные оксиды также, как и оксиды других типов, могут восстанавливаться до металла.

Кислоты

Согласно теории электролитической диссоциации

Примеры кислот: H2SO4 — серная кислота, H2SO3 — сернис­тая кислота, H2S — сероводородная кислота, НС1 — соляная (хло­роводородная) кислота, HBr — бромоводородная кислота, HNO3 — азотная кислота.

Наряду с протоном, при растворении кислоты в воде в раство­ре появляются отрицательно заряженные ионы кислотного ос­татка. Если кислотный остаток состоит из нескольких атомов и содержит атомы кислорода, например, NO-3, SO2-4, то такие кис­лоты называются кислородсодержащими. Если атомов кислорода в кислотном остатке нет, например, Сl-, Br-, S2-, то кислота бес­кислородная.

Число атомов водорода, способных отщепиться при растворе­нии или заместиться на ионы металлов, определяет основность кислоты. Например, одноосновные кислоты НСl, HBr, HNO3, двухосновные кислоты H2SO4, H2SiO3, трехосновная кислота Н3РO4,

Номенклатура кислот

Названия кислот строятся от названия элементов, их образу­ющих. Например, H2SiO3 — кремниевая кислота, Н3ВО3 — борная кислота. Элемент может образовывать несколько кислот. Их на­звания определяются степенью окисления. Если кислота образо­вана элементом в высшей степени окисления (обычно равной номеру группы), то ее название строится при помощи прибавления

к названию элемента буквосочетаний -ная (H2S+6O4 — серная кислота), или -овая (H2Se+6O4 — селеновая кислота). Понижение степе­ни окисления отражается изменением окончания на -оватая, -истая, -оватистая в порядке понижения степени окисления. Правила номенклатуры кислот хорошо прослеживаются на на­званиях кислот хлора.

 

 

Другие примеры: HN+ 5 O3 — азотная кислота, HN+3O2 —азотистая кислота, H2S+6O4 — серная кислота, H2S+4O3 — сернистая кислота.

Названия бескислородных кислот строятся прибавлением к корню элемента -оводородная кислота. Например, HBr — бромоводородная кислота, H2S — сероводородная кислота. Для хлоро­водородной кислоты НС1 чаще применяется тривиальное назва­ние — соляная кислота.

Получение кислот

Кислородсодержащие кислоты могут быть получены при вза­имодействии их ангидридов (соответствующих кислотных окси­дов) с водой:

SO22О=H2SO3

SO32О=H2SO4

Кислоты, состоящие из атомов двух элементов, можно полу­чать при реакции соответствующих простых веществ:

S+Н2=H2S

Br22 = 2HBr

Летучие кислоты можно вытеснить из их солей нелетучими кислотами:

NaCl+Н2SO4(конц)= HCl­ +NaHSO4

Свойства кислот

Наличие протона, способного при растворении отщепляться от молекулы кислоты, определяет схожесть некоторых свойств всех кислот.

Реакция нейтрализации. При взаимодействии кислоты с ос­нованием образуется соль (средняя, кислая или основная) и вода:

НСl+NaOH=NaCl+Н2О

H2SO4+NaOH=NaHSO4+H2O

H2SO4+2NaOH=Na2SO4+2H2O

H2SiO3+2NaOH=Na2SiO3+2H2O

H2SO4+Cu(OH)2=CuSO4+2H2O

Кислоты реагируют с основными и амфотерными оксидами. При этом амфотерные оксиды проявляют свойства основных.

2НСl+FeO=FeCl22О

6НСl+Fe2O3=2FeCl3+3Н2O

3РO4 +3СаО=Са3(РO4)2+3Н2О

Растворы кислот окисляют металлы, находящиеся в ряду на­пряжений левее водорода. В результате образуется соль и газооб­разный водород. Степень окисления элемента, образующего кис­лоту, не изменяется. Общая схема реакции:

M+2nН+=Mn+ + nH2­

Например,

Zn+2HCl=ZnCl2+H2­ Fe+H2SO4=FeSO4+H2­

Взаимодействие растворов кислот с металлами, стоящими в ряду напряжения после водорода, не происходит.

Взаимодействие кислот, являющихся сильными окислителя­ми, таких, как азотная кислота и концентрированная серная кис­лота, с металлами не приводит к выделению водорода.

Окислительные свойства кислот. Кислоты, образованные элементами с высокой электроотрицательностью в высоких сте­пенях окисления, обладают сильными окислительными свойст­вами, особенно концентрированные растворы. Например, серная (степень окисления серы +6), азотная (степень окисления азота +5) окисляют многие металлы, стоящие в ряду напряжений после водорода, неметаллы и некоторые сложные вещества.

24(конц)+Cu=CuSO4+SO2­+2Н2О 5HNO3+3Р+2Н2О=3Н3РО4+5NO­

Восстановительные свойства проявляются у кислот, образо­ванных элементами в отрицательных и невысоких положитель­ных степенях окисления.

4НСl+MnO2+MnСl2+CI2­+2Н2О

H2S+Cl2=Si

При нагревании некоторые кислоты разлагаются:

H2SiO32O+SiO2

Нелетучие кислоты вытесняют более летучие из их солей.

Н2SO4(конц)+NaCl(n)=NaHSO4+HCl­

Более сильные кислоты вытесняют менее сильные кислоты из растворов их солей:

2НСl+Na2CO3=2NaCl+CO2­+Н2O

H2SO4+Na2SO3=2Na2SO4+SO2­+H2O

 

 

Основания

С точки зрения теории электролитической диссоциации

К основаниям относятся гидроксиды металлов, например КОН, Са(ОН)2,Fе(ОН)3 и др.

Число гидроксильных групп называется кислотностью осно­вания. Основания могут содержать одну или несколько гидроксо-групп: однокислотные (NaOH, КОН), двухкислотные (Са(ОН)2, Cu(ОН)2), трехкислотные (Аl(ОН)3) и т.д.

Основания бывают растворимые и нерастворимые. Раствори­мые в воде основания представляют собой гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов (NaOH, КОН, Са(ОН)2, Ва(ОН)2 и т.д.). Их называют щелочами. Остальные металлы образуют практически нерастворимые гидроксиды. К ним относятся, на­пример, Cr(OH)2, Cr(OH)3, Cu(OH)2.

Гидроксиды металлов можно разделить на основные и амфо­терные. Основные гидроксиды взаимодействуют с кислотами и кислотными оксидами с образованием соли и воды. Амфотерные гидроксиды могут реагировать как с кислотами и кислотными оксидами, такие щелочами при нагревании или сплавлении. При взаимодействии с кислотами амфотерные гидроксиды проявляют свойства оснований, а при взаимодействии со щелочами они про­являют свойства кислот.

К основным относятся гидроксиды, которые соответствуют основным оксидам, например, LiOH (Li2O), NaOH (Na2O), КОН (K2O), Ca(OH)2 (CaO), Ba(OH)2 (BaO), Cu(OH)2 (CuO), Fe(OH)2 (FeO), а к амфотерным — те, которым соответствуют амфотерные окси­ды, например, Аl(ОН)3 (Аl2О3), Fe(OH)3 (Fe2O3), Cr(OH)3 (Cr2O3).

Номенклатура оснований

Названия оснований образуются так же, как и названия окси­дов, только вместо слова «оксид» ставят «гидроксид». Например: LiOH— гидроксид лития, Sr(OH)2 — гидроксид стронция, Аl(ОН)3 — гидроксид алюминия, Fe(OH)2 — гидроксид желе­за (II), Fe(OH)3 — гидроксид железа (III)

 

Получение оснований

Растворимые основания образуются при реакции с водой ще­лочных и щелочноземельных металлов или их оксидов:

2K+2H2O=2KOH+H2­ Li2О+Н2O =2LiOH Ва+2Н2О=Ва(ОН)2+H2­ СаО+Н2О=Са(ОН)2

Основания можно также получать путем обменных реакций. Таким образом получают нерастворимые гидроксиды:

Fe2(SO4)3+NaOH=Fe(OH)3¯+Na2SO4 CuCl2+2KOH=Cu(OH)2¯+2KCl

Свойства оснований

Все основания взаимодействуют с кислотами с образованием соли и воды (реакция нейтрализации): Cu(ОН)2+HNO3=Cu(NO3)22О LiOH+HCl=LiCl + H2O

Основания реагируют с кислотными оксидами: 2КОН + S02 = K2SO3 + Н2О

2Fe(OH)3+3SO3=Fe2(SO4)3+3H2O

Щёлочи взаимодействуют также и с амфотерными оксидами при нагревании или сплавлении. При этом амфотерные Оксиды проявляют свойства кислотных:

2NaOH+ZnO+H2O=Na2[Zn(OH)] (реакция в растворе) КОН+Cr2О3=KCrО22О (реакция при сплавлении)

Нерастворимые амфотерные гидроксиды растворяются в кон­центрированных растворах щелочей при нагревании (проявление кислотных свойств амфотерных гидроксидов):

Cr(ОН)3+3KOH=K3[Cr(ОН)6]

Аl(ОН)3+NaOH+2Н2O=Na[Al(OH)4•2Н2O]

Возможны также реакции при сплавлении амфотерного гид­роксида с щелочью (проявление кислотных свойств амфотерных гидроксидов):

А1(ОН)3+NaOH=NaAlO2+2Н2O

При нагревании все плохо растворимые основания разлагают­ся на соответствующий оксид и воду:

 

Примеры средних солей: CuSO4, KNO3, FeCl3, Ca3(PO4)2.

Примеры кислых солей: Ca(HSO4)2, NaHCO3.

Примеры основных солей: [Cu(OH)]2CO3, (MgOH)Cl.

Известны также соли, которые содержат в своем составе два различных катиона, например, KCr(SO4)2, CaCO3•MgCO3. Такие соли называются двойными. Существуют и соли, в которых содер­жится два различных аниона, — смешанные соли, например Са(ОСl)Сl.

Номенклатура солей

Названия солей состоят из двух слов, первое из которых пред­ставляет собой название кислотного остатка, а второе — название катиона. Если металл имеет переменную валентность, то в скоб­ках указывают его валентность в данной соли.

Названия кислых солей отличаются от названий средних при­ставкой гидро- или дигидро-, если соль содержит два незамещенных атома водорода. Названия основных солей начинаются с при­ставки гидрокси-.

Название кислотного остатка строится от названия элемента, образующего кислоту. Если кислота бескислородная, то к назва­нию неметалла прибавляется суффикс -ид, например MgCl2 — хлорид магния (магниевая соль хлороводородной кислоты), NH4Br — бромид аммония (аммониевая соль бромоводородной кислоты, Na2S — сульфид натрия (натриевая соль сероводородной кислоты).

Названия кислотных остатков кислородсодержащих кислот образуются прибавлением суффикса -ат к корню латинского на­звания элемента, образующего кислоту, если элемент имеет выс­шую степень окисления. Например, кислотный остаток серной кислоты — сульфат (SO2-4), азотной — нитрат (NO-3), угольной — карбонат (СО2-3). Кислотные остатки кислот, образованных эле­ментами VII группы в высшей степени окисления, имеют в допол­нение к этому суффиксу приставку пер-, а в степени окисления, следующей после высшей, такая приставка отсутствует. Напри­мер, перхлорат (СlO-4), пербромат (BrO-4), перманганат (MnO-4)

хлорат (СlO3), бромат (BrO-3), манганат (MnО2-4). Низкие степени окисления элементов, образующих кислоты, отражаются в назва­ниях кислотных остатков с помощью суффикса -ит, и последую­щим прибавлением приставки гипо- по мере понижения степени окисления. Например, сульфит (SO2-3), нитрит (NO-2), хлорит (ClO-2), гипохлорит (СlO-).

Получение солей

Соли являются продуктами реакций между кислотами и ос­нованиями, кислотами и основными и амфотерными оксидами и гидроксидами, а также в других взаимодействиях, описанных в разделах, посвященных свойствам оксидов, кислот и оснований.

Соли также можно получить в реакциях ионного обмена между солями. Такие реакции проходят до конца в тех случаях, когда происходит образование недиссоциирующих продуктов, т. е. выпадение осадка, выделение газа. Частным случаем реакции ионного обмена является реакция нейтрализации между кисло­той и основанием, при которой образуется малодиссоциирующее соединение — вода (см. выше).

CuСl2+Na2S=CuS¯+2NaCl

BaNO3+K2SO4=BaSO4¯+2KNO3

MgCl2 + 2Na2CO3+H2O=[Mg(OH)]2CO3+CO2­+2NaCl

 

 

Свойства солей

Растворы солей могут принимать участие в реакциях обмена с кислотами, основаниями и другими солями, если в результате образуется недиссоциирующее соединение (осадок, неустойчивая или летучая кислота, вода). Соли взаимодействуют между собой в растворе, если одна из образующихся новых солей нерастворима или разлагается (полностью гидролизуется) с выделением газа или осадка:

CuSO4+2NaOH=Na2SO4+Cu(OH)2¯

ВаСl2+H2SO4=BaSO4¯+2HCl

Na2CO3+2HCl=2NaCl+H2O+CO2­

NaCl(тв)2SO4(ковц)=NaHSO4+HCl­

Na2SiO3+2HCl=H2SiO3¯+2NaCl

AgNO3+NaCl=NaNO3+AgCl¯

2AlCl3+3Na2CO3 +3H2O=2Al(OH)3¯+6NaCl+3CO2­

Кислые соли вступают в реакции, характерные для кислот, а основные соли вступают в реакции, характерные для оснований. NaHSO4+NaOH=Na2SO42О (MgOH)Cl+НСl=MgCl2+H2O

Растворы солей вступают во взаимодействие с металлами, если металл находится в ряду напряжений левее металла, образу­ющего катион соли.

CuSO4+Zn=ZnSO4+Cu

CuSO4+Fe=FeSO4+Cu

Соли подвергаются гидролизу. Гидролизоваться могут кис­лые, средние и основные соли. В некоторых случаях гидролиз может протекать полностью (необратимо) (подробно см. § 16.3.7).

Некоторые соли разлагаются при нагревании. В этих реакци­ях проявляются свойства характерные как для аниона, так и для катиона. Термическое разложение солей может протекать с изме­нением и без изменения степеней окисления элементов.

Са(НСO3)2=СаСO3+CO2­+H2

CaCO3=CaO+CO2­

KNO3=KNO2+O2­

4KClO3=3KClO4+KCl

2AgNO3=2Ag+2NO2­+O2­

4FeSO4=2Fe2O3+4SO2­+O2­








Дата добавления: 2016-01-03; просмотров: 2112;


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам перенёс пользу информационный материал, или помог в учебе – поделитесь этим сайтом с друзьями и знакомыми.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2024 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.069 сек.