Естествознание ХИМИЯ Лекция №1 Неорганическая химия

 

Естествознание

Лекция по Химии №1

Неорганическая химия

План

1.     Основные понятия.

2.     Периодическая система элементов.

3.     Металлы

4.     Классы неорганических соединений

Основные понятия.

Химией называется наука о веществах, закономерностей их превращений и применений. В настоящее время известно более 100 тыс. неорганических и более 4 млн органических соединений.

Задачи химии:

- научиться различать вещества по их физическим и химическим свойствам, а иногда и по физиологическому действию. (Пр. поваренная соль можно характеризовать как твердое вещество белого цвета, соленого вкуса, растворимое в воде, температура плавления 801 ⁰С, температура кипения 1465  ⁰С)

- получение различных веществ, многих из которых в природе нет (пластмасс, минеральных удобрений, лекарств и тд). Эти вещества получают путем различных химических превращений.

Химия изучает главным образом вещество, организованное в атомы, молекулы, ионы и радикалы. Такие вещества принято подразделять на простые и сложные (хим. соединения). Простые вещества образованы атомами одного хим. элемента и потому являются формой его существования в свободном состоянии, напр. Сера, железо, озон, алмаз. Сложные вещества образованы разными элементами H₂O, H₂SO₄.

Свойствами вещества называются признаки, позволяющие отличить одни вещества от других или установить сходство между ними (агрегатное состояние, цвет, плотность, теплопроводность, температура плавления и кипения)

Молекула – электронейтральная совокупность атомов, связями согласно их валентности.

Атом так же можно характеризовать как электронейтральную систему взаимодействующих элементарных частиц, состоящую из ядра и электронов.

Химический элемент вещества характеризует их способность участвовать в химических реакциях т.е. превращениях одних веществ в другие. Состав вещества выражается химической формулой H₃PO_4/

Валентность элемента - это способность его атомов соединяться с другими атомами в определенных соотношениях.

Периодическая система элементов

Периодическая система элементов - это естественная классификация химических элементов, являющаяся табличным выражением периодического закона Менделеева.

В любой точке вселенной все состоит из элементов представленной таблицей Менделеева. Эти элементы объединяются в соединения. Таблица содержит элементы, расставленные в определенном порядке, этот порядок задается различными законами.

 Любой атом состоит из ядра и электронов, которые вращаются вокруг этого ядра. Ядро нейтрально заряжено, и, следовательно, количество протонов и количество электронов равны.

Атом водорода H стоит в таблице на первом месте, отсюда следует что атомный номер равен единице, это означает что в атоме водорода находится 1 протон и 1 электрон.  Пр. N (азот) – 7 (7 электронов, 7 протонов), Au (золото) – 79 (79 электронов, 79 протонов).

Рассмотрим периодическую таблицу Менделеева, все химические элементы кроме Tc (технеция) и элементы 7 периода существуют в природе в стабильном состоянии, т.е. они являются радиоактивными и были получены искусственным путем.

Элементы, расположенные в одном столбце, обладают схожими химическими свойствами. Элементы первого столбца кроме водорода называются щелочными (мягкими) металлами, водород является исключением (газ). Элементы второго столбца называют щелочноземельными металлами.

Элементы, находящиеся в 8 столбце, называют благородными металлами, эти элементы никогда не взаимодействуют с другими, их называют инертными газами. Элементы 7-го столбца называют галогенами, эти элементы реакционно активны и имеют неприятный запах.

Оставшиеся элементы делятся на 3 группы. В левом нижнем углу обычные металлы, элементы в правом верхнем углу называются неметаллы, неметаллы являются изоляторами.

Эти 2 группы разделяют амфотерные элементы, они ведут себя как металлы или как неметаллы, к нам относятся  бор, кремний, германий, мышьяк, сурьма, теллур, полоний. Элементы центра таблицы, отмеченные зеленым цветом, называются переходными металлами, эти металлы твердые за исключением ртути.

Металлы

Химия делится на органическую и неорганическую. В свою очередь неорганическая химия состоит из простых и сложных веществ.

Простые вещества делятся на:

1.     Металлы

2.     Неметаллы

Сложные вещества делятся на:

1.     Оксиды

2.     Гидроксиды (основания)

3.     Кислоты

4.     Соли

Неметаллы – простые вещества, которые состоят из атомов неметаллических элементов, они могут иметь как атомное (Si – кремний, В - бор), так и молекулярное (H₂, N₂, Br₂) строение. Поэтому среди неметаллов есть газы (O₂, Cl₂), жидкости (Br₂), твердые вещества (С). Большинство неметаллов не электропроводны, имеют низкую теплопроводность, а твердые вещества не пластичны.

Как найти неметаллы в периодической таблице Менделеева? Проводим диагональ от В (бора) до At (астата), все что находится выше этой линии в главных подгруппах – это неметаллы, все что ниже и в побочных подгруппах – металлы.

Неметаллами в 1 и 2 периодах являются - Водород (H), Бор (B), Углерод (C), Азот (N), Кислород (O), Фтор (F), в 3 периоде – Кремний (Si), Фосфор (P), Сера (S), Хлор (Cl), в 4 периоде – Мышьяк (As), Селен (Se), Бром (Br), в 5 периоде – Телур (Te), Йод (I), в 6 периоде – Астат(At). Так же в 8 группе все элементы являются благородными газами.

Все остальные элементы периодической таблицы Менделеева являются металлами.  

Металлы – это вещества обладающий высокой электропроводностью и теплопроводностью, ковкостью, пластичностью и металлическим блеском. Эти характерные свойства металлов обусловлены наличием свободно перемещающихся электронов в его кристаллической решетке.

Теплопроводность и электропроводность уменьшается в ряду металлов:

         Ag (серебро), Cu (медь), Au (золото), Al (алюминий), Mg (магний), Zn (цинк), Fe (железо), Pb (свинец), Hg (ртуть).

Все металлы делятся на две большие группы:

1.     Черные металлы. Имеют темно-серый цвет, большую плотность, высокую температуру плавления и относительно высокую твердость. (пр. железо)

2.     Цветные металлы. Имеют характерную окраску: красную, желтую, белую; обладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой плавления. (пр. медь)

В зависимости от своей плотности металлы делятся:

1.     На легкие (плотность не более 5 г/см³). К легким металлам относятся: литий (Li), натрий (Na), калий (K), магний (Mg), кальций (Ca), цезий (Cs), алюминий (Al), барий (Ba). Самый легкий металл – литий (Li).

2.     Тяжелые (плотность более 5 г/см³). К тяжелым металлам относятся: цинк (Zn), медь (Cu), железо (Fe), олово (Sn), свинец (Pb), серебро (Ag), золото (Au), ртуть (Hg) и др.

Металлы различаются по твердости:

1.     Мягкие: режутся даже ножом (натрий (Na), калий (К), индий (In));

2.     Твердые: металлы сравниваются по твёрдости с алмазом, твёрдость которого равна 10 единиц. Хром (Сr) – самый твердый металл, режет стекло.

В зависимости от температуры плавления металлы условно делятся на:

1.     Легкоплавкие (температура плавления до 1539 ⁰С), к легкоплавким относиться ртуть (Hg) – температура плавления 38,9 ⁰С, цезий (Cs) – 28,5 ⁰С и др. металлы;

2.     Тугоплавкие (температура плавления выше 1539 ⁰С), к тугоплавким металлам относиться хром (Сr) – температура плавления 1890 ⁰С, ванадий (V) – 1900 ⁰С и др. Самый тугоплавкий металл вольфрам (W) – температура плавления 3420 ⁰С.

В природе металлы встречаются в различном виде:

1.     В самородном состоянии: серебро, золото, платина, медь и тд.

2.     В виде оксидов: Fe₂O₄

3.     В виде различных солей

Классы неорганических соединений

Основными классами неорганических соединений являются оксиды, кислоты, соли и основания.

Оксиды представляют собой соединения элементов с кислородом. Оксиды подразделяют на солеобразующие и несолеобразующие. Солеобразующие оксиды делят на основные (образуют соли с основаниями), кислотные (образуют соли с кислотами) и амфотерные (образуют соли как с кислотами, так и с основаниями).

Примеры: Na₂O, MgO, CaO, SO_2, Al₂O₃, P₂ O₅.

Гидроксиды (основания) – сложные неорганические вещества, состоящие из атомов металлов, и одной или нескольких гидроксогрупп OH. Их классифицируют по их силе (сильные – все щелочи кроме NH₄OH и слабые), а также по растворимости в воде (растворимые – щелочи и нерастворимые). Важнейшими щелочами являются КОН (едкий калий) и NaOH (едкий натрий).

Пример: NaOH, Mg(OH)₂, CaOH, Al(OH)₃.

Кислоты- сложные неорганические вещества, состоящие из одного или нескольких атомов водорода и кислотного остатка. Коэффициент х, отвечающий количеству атомов водорода, а, следовательно, равный валентности кислотного остатка. Кислоты классифицируют по их силе (H₂SO₄, HNO₃ – сильные кислоты; HCN – слабая кислота), на кислородсодержащие (H₂SO₄, HNO₃) и бескислородные (HCN, HI);

Соли являются продуктом замещения водорода в кислоте на металл или гидроксогрупп в основании на кислотный остаток. Соли делятся на:

1.     Средние (нормальные) соли K₂SO₄,  Ca(Cl)₂

2.     Кислые соли NaHS, KHCO₃ (гидросульфид натрия и гидрокарбонат натрия)

3.     Основные соли MgOHCl, CaOHCl  (хлориды гидроксо магния и кальция); 

 

Кислоты и соли:

 

H₂SO₄- серная кислота; K₂SO₄ – сульфат K;

H₂SO₃- сернистая кислота; Na₂SO₃- сульфит Na;

HCl – соляная кислота; Ca(Cl)₂- хлорид Ca;

H₂S – сероводородная кислота; Na₂S – сульфид Na;

HNO₃ – азотная кислота; КNO₃ – нитрат К;

HNO₂- азотистая кислота; NaNO₂ – нитрит Na;

H₃PO₄ – ортофорфорная кислота;

H₂SiO₃ – кремнивая кислота;

H₂CO₃ – угольная кислота.

 

         Виды химических реакций.

По числу и составу исходных веществ и продуктов реакции, химические реакции можно разделить на следующие типы: разложение, соединение, обмен, замещение.

1.     Реакции соединения, в результате которых из исходных веществ получается одно новое вещество:

H₂+Cl₂=2HCl

2.     Реакции разложения, в результате которых из исходного вещества образуются два или более новых веществ:

CaCO₃=CaO+CO₂

3.     Реакции обмена, в течении которых происходит обмен атомами, входящими в состав молекулы.

K₂CO₃+2HCl=2KCl+H₂CO₃

К реакциям обмена относиться и реакции нейтрализации:

HCl+NaOH=NaCl+H₂O

4.     Реакции замещения, в результате которых происходит замещение одних атомов, содержащихся в молекуле, на другие. В данную реакцию вступают одно сложное вещество и одно простое вещество. В результате этой реакции образуется новое простое и сложное вещество:

CuSO₄+Pb=PbSO₄+Cu.

         В зависимости от теплового эффекта реакции подразделяются на экзотермические и эндотермические.

         Экзотермическими называют реакции, протекающие с выделением энергии:

                   2Mg+O₂=2MgO+Q

         Реакции, сопровождающиеся поглощением энергии, называют эндотермическими:

                   CaCO₃=CaO+CO₂-Q

Выделение или поглощение энергии может быть обозначено в уравнении реакции соответственно знаком +Q или –Q. Реакции разложения обычно протекают с поглощением энергии, а присоединения – с выделением энергии.

По обратимости реакции различают необратимые и обратимые реакции.

Необратимые реакции протекают до полного превращения исходных веществ в продукты:

BaCl₂+H₂SO₄=BaSO₄↓+2HCl

Признаками обратимости реакции в растворах является образование малодиссоциирующего вещества (осадка, газа или воды).

Обратимые реакции протекают как в сторону получения продуктов реакции, так и в сторону получения исходных веществ:

2CO+O₂↔2CO₂

N₂+3H₂↔2NH₂