- •Е.А.Зеляева Основы общей химии в задачах и упражнениях
- •Под редакцией д.Х.Н. Лилеева а.С.
- •Раздел I: Основные понятия и простейшие расчеты
- •Раздел II: Основные классы химических неорганических соединений Часть I: Формулы и названия
- •Часть II: Классификация, методы получения и свойства оксидов, оснований, кислот и солей
- •Контрольные задания I
- •Химические свойства оснований
- •Контрольные задания II
- •Сокращенный ряд напряжений металлов
- •Контрольные задания III
- •Контрольные задания IV
- •Проверочная работа
Раздел II: Основные классы химических неорганических соединений Часть I: Формулы и названия
Основными классами неорганических соединений являются оксиды, основания, кислоты и соли.
Оксидами называются вещества, состоящие из двух элементов, одним из которых является кислород. Оксиды образуют как металлы, так и неметаллы.
Название оксида состоит из слова «оксид», названия элемента, его образующего, с указанием его валентности (степени окисления), если данный элемент имеет переменную валентность (степень окисления). Если валентность образующего оксид элемента постоянна, ее не указывают.
Пример: Назвать оксиды, образованные калием, цинком, серой (IV), марганцем (VII).
Решение: Калий и цинк имеют постоянные валентности, (I) и (II) соответственно, поэтому их оксиды будут называться оксид калия и оксид цинка.
Сера и марганец могут иметь разные валентности, в данном случае сера – четыре, а марганец – семь. Эти оксиды будут называться оксид серы (IV) и оксид марганца (VII).
Для того, чтобы составить формулу оксида, надо найти наименьшее общее кратное между валентностями элемента и кислорода и разделить его на эти валентности. Получим число атомов кислорода и элемента, образующего оксид в формуле оксида.
Пример: Составить формулы оксидов калия, цинка, серы (IV), марганца (VII).
Решение: Калий имеет валентность, равную единице, а кислород – двум. Наименьшее кратное равно . Разделим 2 на 1 – получим 2, 2 – на 2 – получим 1. Таким образом , формула оксида калия будет состоять из двух атомов калия и одного атома кислорода, .
Наименьшее общее кратное между валентностями цинка (II) и кислорода (II) равно двум. Разделим его на валентность цинка и кислорода, получим 1 и 1, т.е. в состав молекулы оксида цинка будут входить 1 атом цинка и 1 атом кислорода, .
Аналогичным образом определим формулы оксида серы (IV) и марганца (VII). Они будут соответственно и .
Валентность элемента, образующего оксид, определяется, исходя из его формулы, стандартным способом, причем процесс сильно упрощается благодаря тому, что вторым элементом в оксиде является кислород с постоянной валентностью (и соответственно, постоянной степенью окисления, равной – 2).
Упражнение1:
Определить валентность элементов в оксидах и назвать их.
Упражнение 2: Составить формулы оксидов следующих элементов и назвать их.
Из четырех основных классов неорганических соединений три относятся к веществам, называемым «электролитами». Это основания, кислоты и соли. Оксиды не являются электролитами.
Вещества, способные распадаться в растворе или в расплаве на заряженные частицы (ионы), называются электролитами.
Положительно заряженные ионы называются катионами, а отрицательно заряженные – анионами.
Катионами являются ионы водорода, Н+, ион аммония, NН+4, ионы металлов, например, Na+, Ca2+, Al3+. К анионам относятся гидроксид-ион, ОН-, ионы кислотных остатков, например, Cl- , NO3-, SO42-.
Свойства ионов резко отличаются от свойств атомов соответствующих элементов. Так, натрий и калий разлагают воду с выделением водорода, а ионы Na+ и K+такими свойствами не обладают.
Процесс распада молекул электролитов на ионы называется электролитической диссоциацией.
Электролитическая диссоциация является обратимым процессом, т.е. в растворе или расплаве одновременно протекают две реакции: распад молекул на катионы и анионы (КА К++ А-) и ассоциация (соединение) ионов в молекулы (К+ + А- КА). Поэтому уравнение реакции электролитической диссоциации записывается следующим образом: КАК++А-; знак указывает на обратимость процесса.
Поскольку электролитическая диссоциация – процесс обратимый, то в растворах электролитов одновременно присутствуют не только ионы, но и молекулы, не распавшиеся на ионы. Способность молекул данного электролита диссоциировать в растворе или расплаве характеризуется степенью диссоциации .
Степенью диссоциации называется отношение числа молекул, распавшихся на ионы , к общему числу его молекул :
Степень диссоциации выражается либо в долях единицы, либо в процентах.
Все электролиты подразделяются на сильные и слабые. Сильные электролиты диссоциируют практически нацело, степень их диссоциации близка к единице (100%). В растворах сильных электролитов содержатся преимущественно ионы, недиссоциированных молекул практически нет.
Слабые электролиты характеризуются малой степенью диссоциации, поэтому в растворе присутствует значительное количество непродиссоциированных молекул.
Итак, к электролитам относятся основания, кислоты и соли.
Будучи электролитами, эти вещества состоят из катионов и анионов. Поскольку каждое индивидуальное вещество электронейтрально, то в молекуле электролита суммарный положительный заряд, обусловленный наличием катионов, равен суммарному отрицательному заряду, образованному анионами.
Основания
Молекула основания состоит из катиона металла с определенным положительным зарядом, , и соответствующего числа гидроксильных групп , имеющих заряд –1. (Степень окисления кислорода равна –2, степень окисления водорода +1, суммарный заряд равен –2+1= –1).
Формула основания, таким образом, имеет вид: , например, , .
Названия оснований состоят из слова «гидроксид», русского названия металла и указания валентности этого металла, если она переменна. Например, – гидроксид калия, – гидроксид марганца (II).
Упражнение: Назвать следующие гидроксиды.
Кислоты
Молекула кислоты состоит из положительно заряженных ионов водорода и аниона – кислотного остатка, имеющего отрицательный заряд, равный числу атомов (ионов) водорода в молекуле.
Заряд аниона кислотного остатка можно также определить, зная степень окисления каждого элемента, входящего в его состав.
Так, например, в молекуле азотной кислоты, , содержится один атом водорода, имеющий степень окисления +1. Он образует катион водорода . Поэтому анион имеет заряд –1, . С другой стороны, зная, что в азотной кислоте азот имеет степень окисления +5, а кислород, как всегда, –2, легко определить заряд аниона . Он будет равен: .
Кислоты подразделяются на кислородосодержащие и бескислородные например, и . В зависимости от этого, названия кислот формируются по-разному.
Названия бескислородных кислот составляют, добавляя к корню русского названия элемента, образующего кислоту, окончание «водородная» и слово «кислота». Например, сероводородная кислота ( ), фтороводородная кислота ( .
Некоторые бескислородные кислоты имеют специфические названия, например, – соляная кислота, – плавиковая кислота.
Названия кислородосодержащих кислот базируются на русском названии центрального атома, образующего кислоту. Например, серная кислота, , угольная кислота, и др. Если один и тот же элемент образует несколько кислот, то окончание названия кислоты изменяется в зависимости от степени окисления центрального атома. Если степень окисления этого атома максимальная, то название кислоты оканчивается на «-ная» или «-овая». Например, (степень окисления +6) – серная кислота, (степень окисления мышьяка максимальная +5) – мышьяковая кислота.
Если центральный атом кислородосодержащей кислоты имеет степень окисления ниже максимальной, то название кислоты оканчивается на «-нистая» или «-овистая». Например, – сернистая, – мышьяковистая кислота.
В основе названия кислотного остатка лежит латинское название центрального элемента. Так, ион называется сульфат-ион, ион , входящий в состав угольной кислоты, , – карбонат-ион. Анионы бескислородных кислот имеют окончания «-ид» (хлорид, , сульфид, ), названия анионов кислот с максимальной валентностью оканчиваются на «-ат», а с меньшей – на «-ит». Например, – сульфат-ион, – сульфит-ион.
В таблице 1 приведены формулы и названия некоторых кислот и их кислотных остатков с указаниями степени окисления кислотообразующего элемента и зарядом аниона.
Таблица 1. Формулы и названия кислот и их кислотных остатков
Формула кислоты |
Название кислоты |
Кислотный остаток (анион) |
Название аниона |
|
Фтороводородная (плавиковая) |
|
Фторид |
|
Хлороводородная (соляная) |
|
Хлорид |
|
Бромоводородная |
|
Бромид |
|
Йодоводородная |
|
Йодид |
|
Сероводородная |
|
Сульфид |
|
Азотная |
|
Нитрат |
|
Азотистая |
|
Нитрит |
|
Серная |
|
Сульфат |
|
Сернистая |
|
Сульфит |
|
Угольная |
|
Карбонат |
|
Ортофосфорная (фосфорная) |
|
Ортофосфат (фосфат) |
|
Кремниевая |
|
Силикат |
Соли
Молекула соли состоит из положительно заряженных ионов (катионов), отличных от ионов водорода, и отрицательно заряженных ионов (анионов), отличных от гидроксид-ионов.
Наиболее распространенными являются средние, кислые и основные соли, которые можно рассматривать как продукты взаимодействия кислот и оснований. При этом катион соли образуется от основания, а анион – от кислоты.
Если катион соли представляет собой катион металла, образующего основание, а анион – кислотный остаток кислоты, полученный при полном отщеплении всех ионов водорода, то такая соль называется средней.
Например, сульфат кальция, – средняя соль. Она может быть получена при взаимодействии гидроксида кальция, и серной кислоты, . Соль состоит из катиона , полученного при полном отщеплении всех групп от , и из аниона , полученного при полном отщеплении всех ионов водорода ( от .
Примеры средних солей: .
Однако при взаимодействии кислоты и основания в атоме кислоты может остаться один, или больше, ионов водорода. Так, например, фосфорная кислота может образовать следующие анионы: . Соли, образованные анионами, содержащими ионы водорода, называются кислыми. Например, – кислые соли.
Кислые соли могут образовывать только те кислоты, которые имеют в своем составе два и больше ионов водорода – так называемые многоосновные кислоты. Одноосновные кислоты ( и др.) кислых солей не образуют.
Если соль образована от сложного катиона, содержащего, кроме иона металла, две или больше гидроксильных групп , то она называется основной. Например, гидроксид алюминия, , может образовать три катиона: и, соответственно, две основных соли с катионами . Например, – средняя соль, и – основные соли.
Если катион имеет заряд +1, то основная соль образоваться не может.
Названия средних солей образуются из названия аниона (см. стр. 14) и названия катиона (см. стр.) с указанием валентности металла, образующего катион. Например, – сульфат меди (II), – карбонат натрия, – хлорид железа (III).
Кислые соли называют по такому же принципу, только к названию аниона добавляется приставка «гидро-», если анион содержит один ион водорода, или «дигидро-» – если два. Например, – гидросульфат калия, – дигидрофосфат натрия.
Основные соли называются так же, как и средние, но к названию добавляется слово «гидроксо-», если катион содержит одну гидроксогруппу, или «дигидроксо-», если – две. Например, – хлорид гидроксоалюминия, – нитрат дигидроксоалюминия, – карбонат гидроксомеди (II).
Для того, чтобы составить формулу соли, необходимо знать формулу и заряды катиона и аниона, образующих соль. Определив наименьшее общее кратное между зарядами катиона и аниона, надо разделить его по-отдельности на заряд катиона и заряд аниона, тем самым получив число катионов и анионов в формуле соли.
Пример 1: Составить соль, состоящую из катиона алюминия ( и сульфат-иона .
Решение: Определим наименьшее общее кратное между зарядами ионов, оно равно . Разделим его на заряд , получим 2, разделим на заряд , получим 3. Таким образом, формула соли будет состоять из двух ионов и трех ионов , т.е. .
Эта соль – средняя и называется сульфат алюминия.
Пример 2: Определить формулу соли, состоящей из ионов кальция и гидрофосфата .
Решение: Наименьшее общее кратное между зарядами ионов равно 2. Разделим его на заряд , получим 1. Разделим его на заряд ионов , получим 1. Таким образом, формула соли будет .
Эта соль кислая и называется «гидрофосфат кальция».
Упражнение 3: Назвать следующие соли:
Упражнение 4: Из всех катионов и анионов, приведенных в одной строке, составить все возможные средние соли и назвать их.
Пример: (укороченный)
Дано:
Ответ: – карбонат бария;
– карбонат калия;
– фосфат бария;
– фосфат калия.
Упражнение 5: Составить формулы всех кислых солей, которые могут образовать приведенные кислоты с указанными катионами, и назвать соли.
Пример: (укороченный)
Дано:
Ответ: – гидросульфид калия
– гидросульфид меди (II)
– гидрокарбонат калия
– гидрокарбонат меди (II)
Упражнение 6: Составить формулы всех основных солей, которые могут образовать приведенные основания с указанными анионами, и назвать соли.
Пример: (укороченный)
Дано:
Решение: – нитрат гидроксокальция
– сульфат гидроксокальция
– нитрат гидроксоалюминия
– сульфат гидроксоалюминия
– нитрат дигидроксоалюминия
– сульфат дигидроксоалюминия
Упражнение 7: Назвать приведенные соли и указать, к какому виду они принадлежат.