Соединения химических элементов

Степень окисления

Вспомним типичные бинарные соединения, которые мы приводили в качестве примера для рассмотрения механизмов образования ионной и ковалентной полярной химической связи: NaCl — хлорид натрия и НСl — хлороводород.

В первом случае связь ионная: атом натрия передал свой внешний электрон атому хлора и превратился при этом в ион с зарядом +1, а атом хлора принял электрон и превратился в ион с зарядом -1. Схематически процесс превращения атомов в ионы можно изобразить так: Na⁰ + Cl⁰ ➞ Na⁺Cl^-

В молекуле же хлороводорода НС1 химическая связь образуется за счёт спаривания неспаренных внешних электронов и образования общей электронной пары атомов водорода и хлора

Правильнее представлять образование ковалентной связи в молекуле хлороводорода как перекрывание одноэлектронного s-облака атома водорода с одноэлектронным р-облаком атома хлора

При химическом взаимодействии общая электронная пара смещена в сторону более электроотрицательного атома хлора, т. е. электрон не полностью перейдёт от атома водорода к атому хлора, а частично, обусловливая тем самым частичный заряд атомов

Если же представить, что и в молекуле хлороводорода НСl, как и в хлориде натрия NaCl, электрон полностью перешёл от атома водорода к атому хлора, то они получили бы заряды +1 и -1: . Такие условные заряды называют степенью окисления. При определении этого понятия условно предполагают, что в ковалентных полярных соединениях связующие электроны полностью перешли к более электроотрицательному атому, а потому соединения состоят только из положительно и отрицательно заряженных ионов.

Степень окисления — это условный заряд атомов химического элемента в соединении, вычисленный на основе предположения, что все соединения (и ионные, и ковалентно-полярные) состоят только из ионов.

Степень окисления может иметь отрицательное, положительное или нулевое значения, которые обычно ставятся над символом элемента сверху, например: Na⁺¹₂S^-2, Mg⁺²₃N^-3₂

Отрицательное значение степени окисления имеют те атомы, которые приняли электроны от других атомов или к которым смещены общие электронные пары, т. е. атомы более электроотрицательных элементов. Фтор всегда имеет степень окисления —1 во всех соединениях. Кислород, второй после фтора по значению электроотрицательности элемент, почти всегда имеет степень окисления —2, кроме соединений со фтором, например: Na⁺¹₂O^-2, Fe⁺³₂O^-2₃, но O⁺²F^-1₂

Положительное значение степени окисления имеют те атомы, которые отдают свои электроны другим атомам или от которых оттянуты общие электронные пары, т. е. атомы менее электроотрицательных элементов. Металлы в соединениях всегда имеют положительную степень окисления.

K⁺¹₂O^-2, Ca⁺²Cl^-1₂

В большинстве соединений атомы водорода имеют степень окисления +1, но в соединениях с металлами у водорода степень окисления -1

Нулевое значение степени окисления имеют атомы в молекулах простых веществ и атомы в свободном состоянии, например: Al⁰, Cl⁰, N⁰

К понятию «степень окисления» близко понятие «валентность», с которым вы знакомились, рассматривая ковалентную химическую связь. Однако это не одно и то же.

Чем же отличается валентность от степени окисления?

Часто валентность и степень окисления численно совпадают, но валентность не имеет знака заряда, а степень окисления — имеет.

В соединениях суммарная степень окисления всегда равна нулю. Зная это и степень окисления одного из элементов, можно найти степень окисления другого элемента по формуле, например бинарного соединения. Так, найдём степень окисления хлора в соединении Сl₂O₇.

Обозначим степень окисления кислорода: O^-2. Следовательно, семь атомов кислорода будут иметь общий отрицательный заряд (-2) * 7 = -14. Тогда общий заряд двух атомов хлора будет равен +14, а одного атома хлора: (+14) : 2 = +7.

Следовательно, степень окисления хлора равна +7

Аналогично, зная степени окисления элементов, можно составить формулу соединения, например карбида алюминия (соединения алюминия и углерода).

1. Запишем знаки алюминия и углерода рядом АlС, причём сначала — знак алюминия, так как это металл, т. е. менее электроотрицательный элемент.
2. Определим по Периодической системе Д. И. Менделеева число внешних электронов: у Аl — три электрона, у С — четыре. Атом алюминия отдаст свои три внешних электрона углероду и получит при этом степень окисления +3, равную заряду иона. Атом углерода, наоборот, примет недостающие до заветной восьмёрки четыре электрона и получит при этом степень окисления -4.
3. Запишем эти значения в формулу: Al⁺³C^-4
4. Найдём наименьшее общее кратное (НОК) для них, оно равно 12. Затем рассчитаем индексы, разделив НОК на соответствующие значения степеней окисления: Al₄C₃

Оксиды

Оксиды — это сложные вещества, состоящие из двух химических элементов, один из которых — кислород в степени окисления -2.

Оксиды — широко распространённый в природе класс неорганических соединений. К оксидам относят такие хорошо известные соединения, как песок (диоксид кремния SiО₂ с небольшим количеством примесей), вода (оксид водорода Н₂О), углекислый газ (диоксид углерода СО₂), глина (оксид алюминия с небольшим количеством других соединений) и т. д. Большинство руд чёрных металлов содержат оксиды, например красный железняк — Fe₂О₃ и магнитный железняк — Fe₃О₄.

Среди оксидов есть твёрдые при обычных условиях вещества — SiО₂, Fe₂О₃, жидкие — Н₂О и газообразные — СО, СО₂.

Основания

Кроме бинарных соединений, существуют сложные вещества, например основания, которые состоят из трёх элементов: металла, кислорода и водорода.

Водород и кислород в них входят в виде гидроксо-группы ОН^-, которая имеет суммарный заряд 1-: . Следовательно, гидроксогруппа ОН^- представляет собой ион, только не простой, как Na+ или Сl-, а сложный — ОН^- — гидроксид-ион.

Основания — это сложные вещества, состоящие из ионов металлов и связанных с ними гидроксид-ионов.

Если заряд иона металла 1+, то, разумеется, с ионом металла связана одна группа ОН^-, если 2+, то две группы ОН^- и т. д. Следовательно, состав оснований можно записать общей формулой: М(ОН)_n, где М — металл, n — число групп ОН^- и в то же время численное значение заряда иона (степени окисления) металла.

Названия оснований состоят из слова гидроксид и наименования металла в родительном падеже: «гидроксид» + «металл[а]»

Например, NaOH — гидроксид натрия, Са(ОН)₂ — гидроксид кальция.

Если же металл проявляет переменную степень окисления, то её величину так же, как и для бинарных соединений, указывают римской цифрой в скобках и произносят в конце названия основания, например: СuОН — гидроксид меди (I) (читают «гидроксид меди один»); Сu(ОН)₂ — гидроксид меди (II) (читают «гидроксид меди два»).

По отношению к воде основания делят на две группы: растворимые, или щёлочи, NaOH, Са(ОН)₂, КОН, Ва(ОН)₂ и нерастворимые Cu(OH)₂, Fe(OH)₂. О том, растворимо основание или нерастворимо в воде, можно узнать с помощью таблицы «Растворимость оснований, кислот и солей в воде».

Кислоты

С одним из представителей веществ этого класса вы уже познакомились, когда рассматривали летучие водородные соединения на примере хлороводорода НСl. Раствор его в воде и представляет собой соляную кислоту. Она имеет ту же формулу НСl. Аналогично при растворении в воде другого летучего водородного соединения — сероводорода H₂S — образуется раствор сероводородной кислоты с формулой H₂S.

Молекулы этих кислот состоят из двух элементов, т. е. они являются бинарными соединениями. Однако к классу кислот относят также и соединения, состоящие из большего числа химических элементов. Как правило, третьим элементом, входящим в состав кислоты, является кислород. Поэтому такие кислоты называют кислородсодержащими, в отличие от НСl и H₂S, которые называют бескислородными. Перечислим некоторые кислородсодержащие кислоты:

• Азотная кислота — HNO₃.
• Азотистая кислота — HNO₂.
• Серная кислота — H₂SO₄.
• Сернистая кислота — H₂SO₃.
• Угольная кислота — Н₂СO₃.
• Кремниевая кислота — H₂SiO₃.
• Фосфорная кислота — Н₃РO₄.

Обратите внимание, что все кислоты (и кислородсодержащие, и бескислородные) обязательно содержат водород, который в формуле записывают на первом месте. Всю остальную часть формулы называют кислотным остатком. Например, у НСl кислотным остатком является Сl, а у Н₃РO₄ кислотный остаток РO₄.

Кислотами называют сложные вещества, молекулы которых состоят из атомов водорода и кислотного остатка.

По формулам кислот можно определить степени окисления атомов химических элементов, образующих кислоты.

Для бинарных кислот это сделать просто. Так как у водорода степень окисления +1, то в соединении HCl у хлора степень окисления -1, а в соединении H₂S у серы степень окисления -2

Несложно будет рассчитать и степени окисления атомов элементов-неметаллов, образующих кислотные остатки кислородсодержащих кислот. Нужно только помнить, что суммарная степень окисления атомов всех элементов в соединении равна нулю, а степени окисления водорода +1 и кислорода -2. Тогда, например, по формуле серной кислоты H₂SO₄ можно составить уравнение: (+1) • 2 + х + (-2) • 4 = 0, где х — степень окисления серы, откуда х = +6.

Для того чтобы различать степени окисления и заряды ионов, условились записывать знак «+» или «-» перед цифрой, указывающей величину заряда степени окисления (Степень окисления записывают над символом элемента), но после цифры, указывающей величину заряда иона (Заряд иона записывают справа от символа химического элемента). И ещё: единичный заряд степени окисления обозначают цифрой +1 или -1, а единичный заряд иона — только знаками «+» или «-». Например, степень окисления Cl (-1) , а заряд иона Сl^-.

Соли

Соли — это сложные вещества, состоящие из ионов металлов и кислотных остатков.

Как видно из определения, соли по составу похожи на кислоты, только вместо атомов водорода они содержат ионы металла. Поэтому их можно также назвать продуктами замещения атомов водорода в кислоте на ионы металла. Например, всем известная поваренная соль NaCl может быть рассмотрена как продукт замещения водорода в соляной кислоте НСl на ион натрия.

Как образуют названия солей бескислородных кислот, вы уже рассмотрели, когда знакомились с номенклатурой бинарных соединений: соли НСl называют хлоридами, а соли H₂S — сульфидами.

Названия солей кислородсодержащих кислот составляют из двух слов: названия иона, образованного кислотным остатком, в именительном падеже и названия иона металла — в родительном. Названия ионов кислотных остатков составляют, в свою очередь, из корней названий элементов, с суффиксами -am для высшей степени окисления и -ит для низшей степени окисления атомов элемента-неметалла, образующего сложный ион остатка кислородсодержащей кислоты. Например, соли азотной кислоты HNO₃ называют нитратами: KNO₃ — нитрат калия, а соли азотистой кислоты HNO₂ — нитритами: Ca(NO₂)₂ — нитрит кальция. Если же металл проявляет различные степени окисления, то их указывают в скобках римской цифрой, например: Fe²⁺SO₃ — сульфит железа (II)

По растворимости в воде соли делят на растворимые (Р), нерастворимые (Н) и малорастворимые (М). Для определения растворимости солей используют таблицу растворимости кислот, оснований и солей в воде. Если под рукой нет этой таблицы, можно воспользоваться приведёнными ниже правилами. Их легко запомнить.

1. Растворимы все соли азотной кислоты — нитраты.
2. Растворимы все соли соляной кислоты — хлориды, кроме AgCl (Н), РbСl₂ (М).
3. Растворимы все соли серной кислоты — сульфаты, кроме BaSO₄ (Н), PbSO₄ (Н), CaSO₄ (М), Ag₂SO₄ (М).
4. Растворимы соли натрия и калия.
5. Не растворяются все фосфаты, карбонаты, силикаты и сульфиды, кроме этих солей для Na+ и К+.

Кристаллические решётки

Вещество, как вам известно, может существовать в трёх агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твёрдом. Например, кислород, который при обычных условиях представляет собой газ, при температуре -194 °С превращается в жидкость голубого цвета, а при температуре -218,8 °С затвердевает в снегообразную массу, состоящую из кристаллов синего цвета.

Аморфные вещества не имеют чёткой температуры плавления — при нагревании они постепенно размягчаются и переходят в текучее состояние. К аморфным веществам относится большинство пластмасс (например, полиэтилен), воск, шоколад, пластилин, различные смолы и жевательные резинки.

Кристаллические вещества характеризуются правильным расположением составляющих их частиц в строго определённых точках пространства. При соединении этих точек прямыми линиями образуется пространственный каркас, называемый кристаллической решёткой. Точки, в которых размещены частицы кристалла, называют узлами решётки.

В узлах воображаемой кристаллической решётки могут находиться одноатомные ионы, атомы, молекулы. Эти частицы совершают колебательные движения. С повышением температуры размах этих колебаний возрастает, что приводит, как правило, к тепловому расширению тел.

В зависимости от типа частиц, расположенных в узлах кристаллической решётки, и характера связи между ними различают четыре типа кристаллических решёток: ионные, атомные, молекулярные и металлические.

Ионными называют кристаллические решётки, в узлах которых находятся ионы. Их образуют вещества с ионной связью, которой могут быть связаны как простые ионы Na⁺, Cl^-, так и сложные ОН^-. Следовательно, ионные кристаллические решётки имеют соли, основания (щёлочи), некоторые оксиды. Например, кристалл хлорида натрия построен из чередующихся положительных ионов Na⁺ и отрицательных Сl^-, образующих решётку в форме куба. Связи между ионами в таком кристалле очень прочны. Поэтому вещества с ионной решёткой обладают сравнительно высокой твёрдостью и прочностью, они тугоплавки и нелетучи.

Атомными называют кристаллические решётки, в узлах которых находятся отдельные атомы. В таких решётках атомы соединены между собой очень прочными ковалентными связями.

К веществам с атомной кристаллической решёткой относятся кристаллические бор, кремний и германий, а также сложные вещества, например такие, как кремнезем, кварц, песок, горный хрусталь, в состав которых входит оксид кремния (IV) SiO₂

Большинство веществ с атомной кристаллической решёткой имеют очень высокие температуры плавления (например, у алмаза она свыше 3500 °С, у кремния — 1415 °С, у кремнезёма — 1728 °С), они прочны и тверды, практически нерастворимы.

Молекулярными называют кристаллические решётки, в узлах которых располагаются молекулы. Химические связи в этих молекулах могут быть и ковалентными полярными (хлороводород НСl, вода Н₂0), и ковалентными неполярными (азот N₂, озон 0₃). Несмотря на то что атомы внутри молекул связаны очень прочными ковалентными связями, между самими молекулами действуют слабые силы межмолекулярного притяжения. Поэтому вещества с молекулярными кристаллическими решётками имеют малую твёрдость, низкие температуры плавления, летучи.

Примерами веществ с молекулярными кристаллическими решётками являются твёрдая вода — лёд, твёрдый оксид углерода (IV) СO₂ — «сухой лёд», твёрдые хлороводород НСl и сероводород H₂S, твёрдые простые вещества, образованные одно- (благородные газы: гелий, неон, аргон, криптон), двух- (водород Н₂, кислород O₂, хлор Сl₂, азот N₂, иод 1₂), трёх- (озон O₃), четырёх- (белый фосфор Р₄), восьмиатомными (сера S₇) молекулами. Большинство твёрдых органических соединений имеют молекулярные кристаллические решётки (нафталин, глюкоза, сахар).

Вещества с металлической связью имеют металлические кристаллические решётки. В узлах таких решёток находятся атомы и ионы (то атомы, то ионы, в которые легко превращаются атомы металла, отдавая свои внешние электроны в общее пользование). Такое внутреннее строение металлов определяет их характерные физические свойства: ковкость, пластичность, электро- и теплопроводность, металлический блеск.

Для веществ, имеющих молекулярное строение, справедлив открытый французским химиком Ж. Л. Прустом (1799—1803) закон постоянства состава. В настоящее время этот закон формулируют так:

молекулярные химические соединения независимо от способа их получения имеют постоянный состав и свойства.

Закон Пруста — один из основных законов химии. Однако для веществ немолекулярного строения, например ионного, этот закон не всегда справедлив.

Массовая и объёмная доли компонентов смеси (раствора)

Содержание растворённого вещества в растворе выражают с помощью его массовой доли.

Отношение массы растворённого вещества к общей массе раствора называют массовой долей растворённого вещества.

Массовую долю обозначают латинской буквой "w" и выражают в долях единицы или процентах: w(в долях) = m_(в-ва) / m_(р-ра), w(в %) = w * 100%.

В ювелирных и технических изделиях применяют не чистое золото, а его сплавы, чаще всего с медью и серебром. Чистое золото — слишком мягкое, ноготь оставляет на нём след, износостойкость его мала. Проба, стоящая на золотых изделиях, изготовленных в нашей стране, означает массовую долю золота в сплаве, точнее, содержание его из расчёта на тысячу массовых частей сплава. Проба 585, например, означает, что в сплаве массовая доля золота составляет 0,585, или 58,5%

Аналогично массовой доле определяется и объёмная доля газообразного вещества в газовой смеси, обозначаемая греческой буквой φ («фи»): φ = V_(в-ва) / V_(р-ра)

Учебник для 8 класса |Габриелян|