Issuu

ББК

2 4 .Я 7 2 1

П 57

Реком ендовано М ин исте р ством образования и науки Украины (Приказ Министерства образования и науки Украины от 1703.2008 г. № 173)

Издано за счет государственных средств. Продажа запрешена

Ответственные за подготовку учебника к изданию:

главный специалист МОН Украины Фицайло С. С.; заведующая сектором Института инновационных технологий и содержания образования Дубовик Е. А.

П57

Попель П. П.

Х и м и я : 8 кл. : учеб, для общеобразоват. учебн. заведений / П. П. Попель, Л. С. Крикля. — К. : ИЦ «Академия», 2008. — 240 с. : ил. 1БВК 978-966-580-274-7 ББК 24.Я721

18ВЫ 9 7 8 -9 6 6 -5 8 0 -2 7 4 -7

Дорогие восьмиклассники!

На уроках химии в 7 классе состоялось ваше знакомство с интересной наукой о веществах и их превращениях. Вы овла дели химическим языком, выяснили, что такое химические элементы, как обозначают их и образованные ими вещества, как записывают химические реакции, научились выполнять простейшие химические расчеты, осуществлять химические опыты. Вам стало известно, что существует множество веществ, а частиц, из которых они состоят, — только три вида: атом, молекула, ион. Вы узнали много интересного об Оксигене и Ферруме — одних из наиболее важных химических элементов, о свойствах их простых веществ — кислорода и железа. В 8 классе химия откроет вам новые тайны. Вы убедитесь в том, что среди элементов и их соединений существует строгий порядок и тесные взаимосвязи. И х обобщает периодический закон, открытый почти 140 лет тому назад выдающимся уче ным Дмитрием Ивановичем Менделеевым. Основное внимание на уроках химии в этом учебном году будет уделено важнейшим группам (классам) соединений, изу чению их химических свойств. Вы узнаете о строении атомов, молекул, ионов и различных веществ, о том, как соединяются частицы в каждом веществе, получите удовольствие от прове дения химических опытов. Вы уже убедились, что изучать химию необходимо для того, чтобы понимать, как устроен окружающий мир, по каким законам он развивается, чтобы, пользуясь продуктами химиче ского производства, не разрушать природу, а оберегать и при умножать ее богатства. К ак п ол ьзова т ься учебн иком Этот учебник поможет вам изучать химию. В начале каждого параграфа указано, какое значение имеет для вас изложенный учебный материал; в конце параграфов сформули рованы выводы. Текст, представленный мелким шрифтом, предназначен для учеников, которые ж елаю т расширить и 3

углубить свои знания. Дополнительная информация и интерес ные факты размещены на полях. Основные определения выде лены цветом, а новые термины, важные утверждения и слова с логическим ударением — курсивом. Названия лабораторных опытов и практических работ поданы на цветном фоне. После каждого параграфа предложены задания, упражнения и задачи различных типов; они размещены преимущественно по возрастанию сложности. В конце учебника имеются ответы к некоторым задачам и упражнениям, словарь основных тер минов, а также предметный указатель. С его помощью вы смо жете быстро найти страницу учебника, на которой идет речь об определенном термине, веществе, явлении и т. д. Вдумчивая работа с учебником поможет вам глубже осознать связь между составом, строением и свойствами веществ, на учиться прогнозировать и объяснять химические превращения. П о д го т о в к а к х и м и ч е ск о м у эк сп ери м ен т у К практическим работам следует тщательно готовить ся. Рекомендации относительно правил работы и техники без опасности в химическом кабинете, приведенные в учебнике для 7 класса, вам, несомненно, нужно выполнять и в 8 классе. Пока за окном осень и вокруг растут цветы, дозревают фрук ты, ягоды, овощи, вы можете подготовиться к домашнему экс перименту. Соберите и отдельно высушите лепестки окрашен ных цветов, по несколько различных ягод. Зимой приготовьте отвары каждого растения, которые будут необходимы для опы тов. Они способны изменять свою окраску при воздействии определенных веществ. Д ля опытов используйте также соки свеклы, темного винограда, краснокочанной капусты. Осуществляйте домашний эксперимент только с разрешения родителей. Химия — увлекательная наука. Искренне желаем вам успе хов в ее изучении. Авт оры

1 . раздел

Количество вещества. Расчеты по химическим формулам Несколько столетий тому назад алхимики, готовясь к различным опытам и после их прове дения, нередко взвешивали вещества, опреде ля ли их объемы. После открытия М. В. Ломо носовым и А .-Л . Лавуазье закона сохранения массы веществ при химических реакциях химия начала быстро развиваться, обретая ста тус точной науки. Расчеты стали неотъемлемой частью химических исследований.

Количество вещ ества

М а те р и а л п а р а гр а ф а п о м о ж е т в а м : >

> >

вы яснить суть ф и зи че ско й величины «количе ство вещ ества», а т а кж е единицы ее и зм е р е н и я «моль»; понять, с к о л ь к о и к а ки х ча стиц со д е р ж и т 1 моль вещ ества; реш ать за д ачи на вы числение или и с п о л ь зо в а ние ко л и че ств а вещ ества.

Количество вещества. Вы уж е знаете, что вещества могут иметь молекулярное, атомное или ионное строение. Превращение одних веществ в другие происходит в результате со единения атомов в молекулы, распада молекул на атомы, перегруппировки атомов или ионов. 5

Комментируя реакцию горения углерода

с + о2= со2, вы скажете, что каждый атом Карбона взаи модействует с молекулой кислорода с образо ванием молекулы углекислого газа, два атома Карбона взаимодействуют с двумя молекула ми кислорода, образуя две молекулы углекис лого газа, и т. д. Чтобы подготовить какой-либо химический опыт, не имеет смысла пересчитывать атомы, молекулы . Да это и невозможно сделать. Химики используют физическую величину, которая определяется количеством частиц вещества в определенной его порции. Название этой величины — количест во вещества. Ее обозначают латинской буквой л ; раньше для этого использовали греческую букву V («н ю »). Единицей измерения количества вещества является моль1. Ученые установили, что 1 моль любого веще ства содержит 602 000 000 000 000 000 000 000 его формульных единиц (атомов, молекул, совокупностей ионов). Это число можно запи сать как 602* 1021 (21 — количество нулей в первой записи), или 6,02 • 1023. 1 м о л ь — это п ор ц и я в ещ ества, к о то р а я содер ж и т 6 ,0 2 • 102<е г о ф о р м у л ь н ы х е д и н и ц . Так, 1 моль углерода (вещество атомного строения) содержит 6,02 • 1023 атомов Карбо на, 1 моль кислорода (вещество молекулярно го строения) — 6,02 * 1023 молекул 0 2, а 1 моль поваренной соли ЫаС1 (вещество ионного стро ения) — 6,02 • 10” пар ионов Ма и С1 , т. е. 6,02 • 1023 ионов N 8^ и 6,02 • 1023 ионов С1 . ► Назовите формульные единицы для маг ния, хлора, калий фторида КЕ и скажите, 5 Термин происходит от латинского слова moles — бесконечное множество. 6

сколько их содержится в 2 моль каждого вещества. Понятие «количество вещества» использу ют не только по отношению к веществам, но и по отношению к частицам — атомам, молеку лам, ионам. Например, выражение «1 моль ионов Ка » означает « 6,02 • 1023 ионов К а+». Число 6,02 • 1023 было выбрано не случайно. Ученые определили, что столько атомов содер жится в 12 г углерода — массе этого простого вещества в граммах, которая численно равна относительной атомной массе соответствующего элемента (Карбона). Отсюда — такое определе ние единицы измерения количества вещества: 1 м оль — это п о р ц и я в ещ еств а , к о т о р а я со д ер ж и т столько ф о р м у л ь н ы х ед и н и ц , с к о л ь к о а т о м о в К а р б о н а содерж ится в 12 г у г л е р о д а . Представление о порциях различных веществ в 1 моль можно получить ИЗ рисунка 1 . Число 6,02 * 1023 назвали числом Авогадро в честь итальянского ученого А . Авогадро. Рис. 1. П орции вещ еств в 1 моль: а — алю м иний; б — вода; в — поваренная соль

Число Авогадро в миллиарды раз превышает количество волос на головах, в усах, бородах всех живущих на Земле людей. Если покрыть земную поверхность таким количеством (6,02 • 1023) тен нисных мячей, то толщина «покрытия» будет со ставлять приблизительно ЮО км. Если же разме стить 6,02 • 1023 атомов Гидрогена, наименьших среди всех атомов, вплотнуюдруг кдругу в линию, то ее длина составит приблизительно 6 • Ю 10 км. Нитью такой длины можно обмотать земной шар по экватору более чем 1 500 000 раз (рис. 2). 7

А м едео Авогадро

(1776—1856) Выдающийся итальянский физик и химик. Выдвинул гипотезу о молекулярном строении веществ, в частности газов. Открыл один из законов для газов (1811), позже названный его именем. Уточнил атомные массы некото рых элементов, определил состав молекул воды, аммиака, углекислого и угарного газов, метана, сероводорода и др. Разработал экспе риментальные методы определения молеку лярных масс газообразных веществ.

Рис. 2. 1 моль атом ов Гидрогена

IX =

N КА

Ч и слу Авогадро отвечает постоянная Авога дро. Ее обозначение — А а, а размерность выте кает из такого выражения: ЛГ 6 ,0 2 - 10 23 _ __ 1Г,23 -! N . = —\---------- = 6,02 • 10 м оль . 1 моль Если порция вещества содержит N частиц (формульных единиц), то можно вывести фор м улу для вычисления соответствующего коли чества вещества п: в 1 моль вещества содержится ЫА частиц, в п моль вещества — N частиц; N Слово «м о л ь » не склоняется, если перед ним есть число, но склоняется, если числа нет.

Примеры словосочетаний: взято 5 моль желе за, определение моля. Решение задач. Решим несколько задач, в которых используется величина «количество вещества ». ЗАДАЧА 1. В к а к о м к о л и ч е с т в е в е щ е с т в а с о д е р ж и т с я 3 ,0 1 - 1 0 2А а то м о в А л ю м и н и я ?

Дано: N^А1) = = 3,01 • 1024 атомов

л(А1) — ?

Решение Воспользуемся формулой, которая отоб ражает связь между количеством веще ства и числом частиц (атомов): А(А1) 3,01 • 1024 л(А1) = 6,02 • 1023 моль 23 30,1 • 10 = 5 моль. 1 6,02 1023 моль * Ответ: л(А1) = 5 моль.

В 1 моль какого-либо молекулярного веще ства всегда содержится больше чем 1 моль ато мов (1 м оль элемента). Например, в 1 моль кислорода 0 2 — 2 м оль атомов Оксигена (2 моль элемента Оксигена); в 1 моль метана СН4 — 1 моль атомов Карбона и 4 моль атомов Гидрогена (1 моль Карбона и 4 моль Гидрогена). ► Какие количества вещества атомов содер жатся в 1 моль озона Оэ, в 2 моль белого фос фора Р 4, в 0,5 моль аммиака МН3? Количества вещества ионов в ионном соеди нении вычисляют аналогично. ЗАДАЧА 2. Р ассчитать к о л и ч е с т в а в е щ е с тв а и о н о в в ф еррум (Ш ) о к с и д е Ре20 3, в з я т о м ко л и ч е с тв о м в е щ е с тв а 4 м оль.

Дано: л(Ге20 3) = 4 моль

п(Ге3+) — ? л(0 2 ) — ?

Решение Формульная единица оксида Ге20 3 содер жит 2 иона Ге3+ и 3 иона О2 . Поэтому 1 моль Ге20 3 состоит из 2 моль ионов Ге3* и 3 моль ионов О2 . 9

В 4 моль этого соединения количества веще ства ионов в четыре раза больше: п(Ее3+) = 2 л(Ее20 3) = 2 *4 = 8 (моль); п ( О2 ) = Зл(Ее20 3) = 3 -4 = 12 (м оль). Ответ: п(Ре3+) = 8 моль; л (О2 ) = 1 2 моль.

Это интересно

Количество вещества используют для характе ристики состава растворов в научных ис следованиях.

По формуле соединения можно определить соотношение в нем количеств вещества атомов (элементов), ионов. Например, в метане СН4 п (С ) : п ( Н ) = 1 : 4 , а в феррум(Ш ) оксиде Ге20 3 — п(Ее3 ) : п(О 2 ) = 2 : 3. Вернемся к химической реакции С + 0 2 = = С 02, рассмотренной в начале параграфа. Если вести речь о большом количестве частиц, которые взаимодействуют и образуются, то каждые 6,02 • 1023 атомов Карбона (1 м оль) реагируют с 6,02 • 10 28 м олекул 0 2 (1 м оль) с образованием 6,02 • 1023 м олекул С02 (1 моль). Записав химическое уравнение

с + о2 = со2,

1 моль 1 моль 1 моль видим, что количества вещества соответствуют коэффициентам. Это справедливо для любой реакции. Приведем еще один пример: 2Н2 + 0 2 = 2Н20. 2 моль 1 моль 2 моль

ВЫВОДЫ

Количество вещества в химии определяют числом его частиц. Единица измерения количества вещества — моль. 1 моль содержит 6,02 • 1023 формульных единиц вещества — атомов, молекул, совокуп ностей ионов. Число 6,02 -1023 называют числом Авогадро. 10

1. Что п о д р а зу м е в а ю т в х и м и и под ко л и ч е с тв о м в е щ е ств а ? Н а з о в и 2.

4. 5.

те е д и н и ц у и зм е р е н и я ко л и ч е с тв а ве щ е ства. О пределите ко л и ч е ств а в е щ е ств а э л е м е н то в в б р о м е Вг2, хлороводороде Н О , ф осф ине РН3, к а л ь ц и н и р о в а н н о й сод е N a2C 0 3, взяты х ко л и ч е с тв о м в е щ е ств а 1 м оль. (Устно.) Вместо т о ч е к вста вьте п р о п ущ е н н ы е циф ры : а) в 3 м оль воды Н20 с о д е р ж и тс я ... м ол ь м о л е кул , ... м оль а т о м о в Гид рогена, ... м оль а т о м о в О кс и ге н а ; б) в 0 ,5 моль сульф атной кисл о ты H2S 0 4 со д е р ж и тся ... моль Гидрогена, ... моль Сульфура, ... м оль О кси ге н а ; в) в 2 моль и о н н о го со е д и н е н и я Са3(Р 0 4)2 сод ерж ится ... ф ор мульных единиц, или ... моль ионов Са2+ и ... моль и о н ов Р 0 4 4 г) в 1 ,5 м оль к в а р ц а S i0 2 (со е д и н е н и е а то м н о го стр о е н и я) сод ерж ится ... м оль ф орм ульны х единиц, т. е . ... м оль атом ов С илиция и ... м оль а то м о в О кс и ге н а . В к а к о м ко л и ч е с тв е в е щ е ств а со д е р ж и тся : а) 1 2 ,0 4 • 1 0 23 а то м о в Ц и н ка ; б) 3 ,0 1 • 1 0 23 м ол екул у гл е ки с л о го га з а ? В ы полните расчеты и з а п о л н и те таблицу: Л/(Н3Р 0 4)

л (Н 3Р 0 4), м оль л(Н), м оль

л(Р), моль

л(О), м оль

1 2 ,0 4 - 1 0 23 6. М о ж е т ли 1 м оль в е щ е ств а со д е р ж а ть бол ее чем 6 ,0 2 • 1 0 23 а то м ов? Д а й т е о б ъ я сн е н и е и п р и в е д и те п р и м е р ы . 7. К а ко е ко л и ч е с т в о в е щ е ств а ка л ь ц и й хл орид а СаС12 со д е р ж и т 3 ,0 1 • 1 0 24 и о н о в Са2+? С ко л ь ко и о н о в С Г в т а ко й п о р ц и и с о е д и нения? (Устно.) 8. В ы полните расчеты и з а п о л н и те таблицу:

N(AI2(S 0 4)3)

o (AI2(S 0 4)3),

моль

л(АІ3+), м оль

п( S O D ,

/V(AI3+)

N(SOl)

моль 6 ,0 2 • 1 0 23

9. В ка ко м количестве вещ ества метана СН4 содержится столько ато мов, ско л ь ко их: а) в 1 моль Р20 3; б) в 0 ,3 моль H N 0 3; в) в 2 ,5 моль СО? 10. В ка ко м количестве вещ ества поваренной соли NaCI содержится столько ионов, ско л ько их: а) в 0 ,2 моль СаО; б) в 2 моль Li20 ; в) в 0 ,4 моль Na2S? 11. Назовите соотнош ение количеств вещ ества элем ентов в вещ ест вах с та ким и формулами: CaO, MgF2, H N 0 3, Fe(OH)3, AI2(S 04)3. (Устно.) 12. П рокомм ентируйте х и м и че ски е р еакц ии, используя понятие «моль»: а) S + 2С12 = SCI4; б) N2 + З Н 2 = 2 N H 3. 11

М олярная м асса

Материал параграфа поможет вам: > > >

в ы ясн и ть суть ф и зи ч е ско й в е л и чин ы «молярная масса»; в ы чи слять зн а ч е н и я м олярны х м а сс просты х и сл о ж н ы х вещ еств; р еш ать з а д а ч и с и с п о л ь з о в а н и е м м о л я р н ы х м асс.

М олярная масса. Важной величиной, кото рая связана с количеством вещества, является м олярная масса. Ее использую т во многих вычислениях — при подготовке к химическо му эксперименту, внедрении технологических процессов на заводах, для обработки результа тов исследования химических реакций. М о л я р н а я м а с с а — э т о м а с с а 1 м о л ь в ещ ест в а . М олярную массу обозначают латинской буквой М . Ее размерность — г/моль. М о ля р н а я м асса ч и слен н о равна отн оси тельн ой а то м н ой , м о л е к у л я р н о й и л и ф о р м у л ь н о й м а ссе. Д ля того чтобы записать молярную массу какого-либо вещества, достаточно указать зна чение соответствующей относительной атом ной, молекулярной или формульной массы и добавить размерность — г/моль. Относитель ные атомные массы элементов представлены в периодической системе Д. И. Менделеева, а относительные молекулярные и формульные массы веществ вы научились вычислять в 7 классе. Примеры записи молярных масс простых и сложных веществ: 12

М ( С) = 12 г/моль; -М(Ые) = 20 г/моль; М ( 0 2) - 32 г/моль (расчет относительной молекулярной массы: М г(0 2) = 2АДО) = 2 • 16 = 32); М(КаС1) = 58,5 г/моль (расчет относительной формульной массы: М г(КаС1) = АДИа) + А Г(С1) = 23 + 35,5 = 58,5).

► Вычислите и запишите значения молярных масс аммиака ЫН3 и мела СаС03. П оскольку понятие «м о л ь » используют не только по отношению к веществам, но и по отношению к частицам (атомам, молекулам, ионам), то и для них существуют молярные массы. Учитывая, что масса 1 м оль атомов Гидрогена составляет 1 г, а 1 моль ионов 80|~ — 96 г, запишем молярные массы этих частиц: Л/(Н) = 1 г/моль; М(БО| ) = 96 г/моль. ► Вычислите и запишите значения молярных масс атомов Гелия, молекул хлора, ионов К* и СО|-.

п—

м =

ИТ т п

Выведем формулу, которая описывает взаи мосвязь между массой, количеством вещества и молярной массой. Если, например, 1 моль атомов Гидрогена имеет массу 1 г, то п моль этих атомов — массу, которая в п раз больше, т. е. п г. Запишем соответствующее математи ческое выражение: т ( Н ) = п • Л/(Н) = п моль • 1 г/моль = п г. Общая формула для вычисления массы ато мов, ионов, веществ по количеству вещества: т — п.’ М . Отсюда т т М = п М ' п Итак, м олярная м асса — эт о от нош ение массы к количест ву вещества. 13

Реш ение задач. Рассмотрим два способа решения задач, которые предполагают исполь зование молярной массы. Один из них преду сматривает составление пропорции, а другой — вычисления по приведенным выше формулам. ЗАДАЧА 1. Р ассчи тать ко л и ч е с т в о в е щ е с тв а м е та н а СН4, е сл и м а сса с о е д и н е н и я с о с та в л я е т 6 ,4 г.

Дано:

Решение

т (С Н 4) = 6,4 г

1-й способ 1. Вычисляем молярную массу соединения: М ( СН4) = М (С ) + 4 М (Н ) = 12 г/моль + + 4 -1 г/моль = 16 г/моль. 2. Находим количество вещества метана, составив пропорцию: 1 моль СН4 имеет массу 16 г, х моль СН4 — 6,4 г; 1 16 * 6,4 ’ 1 моль • 6,4 г = 0,4 моль. х = п(СН4) = 16 г 2-й способ Воспользуемся одной из формул, приведен ных в параграфе: т (С Н 4) 6,4 г = 0,4 моль. л(С Н 4) = 16 г/моль М (С Н 4)

п(СН4) — ?

Ответ: п(С Н 4) = 0 ,4 моль. ЗАДАЧА 2. К а к а я м а с с а ж е л е з а о т в е ч а е т к о л и ч е с т в у в е щ е с т в а 1 ,5

м ол ь?

Дано: п (Р е ) = 1 ,5 моль

т (Р е ) — ?

Решение 1-й способ *1 Ж елезо — простое вещество, состоящее из атомов элемента Феррума. ЛГ(Ее) = 56 г/моль. Рассчитываем массу железа с помощью про порции: 1 моль Ре имеет масу 56 г, 1,5 моль Ре — л: г; 1,5 моль ♦ 56 г = 84 г. х = т (Р е ) = 1 моль

2-й способ Воспользуемся формулой, приведенной в параграфе: т (Р е ) = л(Р е) - Л1(Ре) = = 1,5 моль • 56 г/моль = 84 г. Ответ: т (Р е ) = 8 4 г. ЗАДАЧА 3. В ы ч и с л и т ь м а с с у Ю 24 а т о м о в Н а тр ия. Дано:

Решение

N (N a ) = 1024 атомов

1-й способ Поскольку М^Иа) = 23 г/моль, то 1 моль атомов Натрия имеет массу 23 г. Учитывая, что 1 м оль элемента — это 6,02 • 10 23 атомов, составляем пропорцию и решаем ее: 6,02 • 1023 атомов Иа имеют массу 23 г, х г; 10 24 атомов Иа — 1024 • 23 г 230 г 38,2 г. х = т (К а ) = 6,02 - 1023 6,02 2-й способ 1. Рассчитываем количество вещества Натрия: ю 24 Л/ХИа) п(Иа) = 6,02 - 10 23 моль 1 Л^А 10 моль 1,6 6 моль. 6,02 2. Вычисляем массу атомов Натрия: т (И а ) = л(И а) • М (И а ) = = 1,66 моль - 23 г/моль = 38,2 г.

т (К а ) — ?

Ответ: т ^ а ) = 38,2 г.

ВЫВОДЫ

Молярная масса — это масса 1 моль веще ства. Она численно равна относительной атом ной, молекулярной или формульной массе. Молярная масса является отношением массы к количеству вещества. 15

9 1 3 . Н айдите со отв е тств и е : 1) М г(С 0 2); а) 4 4 г; 2) т ( С 0 2); б) 4 4 г/м о л ь ; 3) М (С 0 2); в) 4 4 . 1 4 . В ы числите м ол яр н ы е м ассы вещ еств, ко то р ы е и м е ю т т а к и е ф ор мулы: Р2, Н20 , 5 0 2, Ы20 , M gзN 2, Н23 0 4, СаСОэ. (Устно.) 1 5 . К а к о в ы м о л я р н ы е м ассы а то м о в и и о н о в , ко то р ы е и м е ю т т а ки е ф ормулы : Си. Аг, Вг, 1У^2+, Б2 , ОН , 1\103? (Устно.) 1 6 . М а сса соед ин е н ия, в з я т о го ко л и че ств о м вещ ества 0 ,2 м оль, со ставляет 1 2 ,8 г. О пределите м ол ярную м ассу соед инения. (Устно.) 1 7 . В ы числ ите м ассу 0 ,2 5 м оль м а гн и й ф осф ида MgзP2. 18. М а сса к а к о го о кси д а больш е: угл е ки сл о го га за 0О 2, в зя то го к о личеством вещ ества 2 м оль, или се рн исто го га за Б 0 2, в зя то го ко л ичество м вещ ества 1 ,5 м оль? (Устно.) 1 9 . В ы числ ите м а ссу од ной м олекулы воды в гр а м м а х, испо л ьзуя м ол ярную м ассу воды и п о сто я н н ую А в огад р о . 2 0 . К а к о е ко л и ч е ств о в е щ е ств а со д е р ж и тся в 2 4 г м а гн и я , 8 0 г б р о м а , 2 0 0 г м ела? (Устно.) 2 1 . Где ко л ичество вещ ества наибольш ее, а где — наим е н ьш е е : в 1 0 г ка л ьц и я, 1 6 г кисл о ро д а или 8 г натрий гидрида Г^ГаН? (Устно.) 2 2 . С ко л ь ко м олекул и а то м о в в 3 ,4 г а м м и а ка ИН3? 2 3 . Где с о д е р ж и тся бол ьш е м ол екул , а то м о в : а) в 1 г у гл е ки с л о го га з а С 0 2 или в 1 г се р н и с то го га з а 5 0 2; б) в 1 м оль воды или в 1 моль сульф атной кисл о ты Н25 0 4? 2 4 . В 1 л м ин ер а л ьно й воды «Боржоми» сод ерж ится 8 0 м г и о н о в Са2+, 5 5 м г и о н ов M g2+, 6 0 м г и о н о в . К оличество к а ки х и о н о в среди у ка з а н н ы х н а им е н ьш е е в этой воде, а к а к и х — наибольш ее?

Молярный объем. З а ко н Авогадро Материал параграфа поможет вам:

У вы ясн ить суть ф и зическо й величины «молярный объем»; понять, почем у в р а в н ы х объ ем ах разл ичны х га з о в со д ер ж ится о д и н а ко в о е число молекул; 16

р еш ать за д а ч и с и с п о л ь з о в а н и е м о бъ е м а га з а .

м о л я р н о го

М олярный объем. Порцию вещества можно охарактеризовать не только ее массой, но и объемом. П оэтому не случайно, что, кроме молярной массы, существует другая физиче ская величина — молярный объем. М о л я р н ы м о б ъ е м о м н а з ы в а ю т о б ъ е м 1 м о л ь в ещ еств а -

М = р*Тм V УМ

Обозначение молярного объема — Т^м, а еди ницы измерения — см3/моль, л/моль. Из курса физики 7 класса вам известна фор мула, в которую входят масса вещества ( т ), его плотность (р) и объем ( Г ) : т = р • V. А налогичная связь существует меж ду молярной массой и молярным объемом: М = р * Ум. Из этой формулы получаем другую: V ум -

М р

По ней мож но вы числять молярный объем любого вещества. Д ля этого нужно рассчитать молярную массу вещества и найти в справоч нике его плотность. Д ля каждого твердого и жидкого вещества существует свой молярный объем (например, для алюминия, поваренной соли, воды и спир та — 1 0 , 27, 18 и 58 см3/моль соответственно). М олярны й объем, как и плотность таких веществ, почти не зависит от температуры и давления. Газы при нагревании или понижении давле ния заметно расширяются, а при охлаждении или повышении давления сжимаются. Это происходит потому, что расстояния между молекулами в газах очень большие (в отличие от твердых и ж идких веществ, где частицы соприкасаются друг с другом). 17

При изменении условий изменяются также плотность газа и его молярный объем. Поэто му, приводя значения этих физических вели чин, обязательно указывают соответствую щие температуру и давление. Учены е установили, что молярный Нормальные объем различных газов при одинаковых условия (н. у.) условиях один и тот же. В частности, при О °С; 101,3 кПа температуре О °С и давлении 101,3 кПа Д ля газов (и ли 760 мм рт. ст.) он составляет при н. у. 22,4 л/моль. Приведенные условия назы У м = 22,4 л/моль вают нормальными (сокращенно — н. у.). 1 м о л ь л ю б о г о га за п р и н о р м а л ь н ы х у с л о в и я х з а н и м а е т о б ъ е м 22 ,4 л . Описывая физические свойства вещества, указывают его агрегатное состояние при обыч ных условиях. В этом случае речь идет об усло виях, которые чаще всего существуют в поме щении, где изучают или используют вещество. Это — температура приблизительно +20 °С и давление приблизительно 760 мм рт. ст.

п=

У м=

V п

Связь между объемом (V ), количеством вещества (л ) и молярным объемом (У м) описы вает такая формула (попробуйте вывести ее самостоятельно): У = п - У м. Из нее можно получить две другие: у_ п= ^м = п Итак, м олярны й объем — эт о от нош ение объема к количест ву вещества. Закон Авогадро. Вы уже знаете, что 1 моль водорода, кислорода или углек и слого газа занимает при нормальных условиях объем 22,4 л и содержит 6,02 • 1023 м олекул. Гипоте зу об одинаковом количестве м олекул в рав ных объемах различных газов, которая бази ровалась на результатах исследований реак ций меж ду газами, высказал ещ е в начале

X I X ст. А . Авогадро. Получив впоследствии экспериментальное подтверждение и теорети ческое обоснование, эта гипотеза стала законом. Закон Авогадро формулируют так: в равны х о б ъ ем а х р а з л и ч н ы х газов при од и н а к ов ы х тем п ер атуре и д а в л е н и и с о д е р ж и т с я о д и н а к о в о е ч и с л о м о л е к у л 1. Приводим важное следствие закона А в о гадро: в равн ы х о б ъ е м а х р а з л и ч н ы х г а з о в п р и о д и н а к о в ы х тем п ературе и д а в л е н и и с о д е р ж а т с я о д и н а к о в ы е к о л и чества в ещ еств а . Изложенный материал обобщает рисунок 3. Рис. 3. Одинаковые количества молекул и количества вещества в равных объемах газов

Реш ение задач. Рассмотрим несколько задач, при решении которых использую т молярный объем газа. ЗАДАЧА 1. В ы числить о б ъ е м 0 ,4 г в о д о р о д а при н о р м а л ь н ы х усл о ви ях. Решение 1-й способ 1. Находим количество вещества водорода: т ( Н 2) 0,4 г 0,2 моль. п ( Н 2) Н 2) 2 г/моль 2. Вычисляем объем водорода составлением пропорции:

1 Для инертных газов — одинаковое число атомов. 19

1 моль Н 2 занимает при н. у. объем 22,4 л, 0,2 моль Н 2 — х л; х = К(Н 2) = 0,2 моль - 22,4 л/моль = 4,48 л. 2 й сп о со б 1. Находим количество вещества водорода: га ч т ( Н 2) 0,4 г л (Н 2) = „ ,.ТТ ^ = — д— --------= 0,2 моль. М ( Н 2) 2 г/моль 2. Вычисляем объем водорода по соответствую щей формуле: У (Н 2) = п(Н2) * Ум = 0,2 моль • 22,4 л/моль = 4,48 л. Ответ: У(Н2) = 4 ,4 8 л. ЗАДАЧА 2. В ы ч и с л и ть к о л и ч е с т в о м о л е кул в 1 л ки с л о р о д а п р и н о р мальны х условиях.

Дано: У {0 2) = 1 л н. у. Щ 0 2) -

Решение 1 й способ Вычисляем количество м олекул кислорода в 1 л газа при нормальных условиях: в 22,4 л кислорода содержится 6,02 • 1023 молекул, в 1 л кислорода — х молекул;

х = Щ 0 2) =

1 Л ’ 6^ 2 ' 10-

- 0,27 • 1023 =

= 2,7 • 1022 (м олекул). 2-й способ Вычисляем количество м олекул кислорода в 1 л газа при нормальны х условиях. Д ля этого из . N V формулы п = ^ получаем: м N A•V 77 = Vм , Осуществляем расчет: 6,02 • 1023 моль 1 1 л = 0,27- 1023 = ^ ( 0 2) = 22,4 л/моль = 2,7 • 1022 (м олекул). Ответ: Л/(02) = 2 ,7 • 1 0 22 м олекул.

Эту задачу можно решить еще одним спосо бом. По соответствующим формулам сначала вычисляют количество вещества кислорода, а затем — количество молекул. 20

ЗАДАЧА 3. Рассчитать плотность угарного газа СО при нормальных условиях. Решение Дано: 1-й способ СО 1. Находим молярную массу угарного газа: н. у. М ( СО) = 28 г/моль. р(СО) — ? 2. Вычисляем плотность газа при нормальных условиях: 1 моль угарного газа, т. е. 28 г СО занимает при н. у. объем 22,4 л, х г СО — 1л;

х = т (С О ) = 2 д д ‘ 1 л = 1,25 г; р(СО) = 1,25 г/л. 22,4 л 2-й способ 1. Находим молярную массу угарного газа: ІИ(СО) = 28 г/моль. 2. Рассчитываем плотность угарного газа при нормальных условиях, преобразовав формулу М = р ♦ Р м (с. 17) в другую: Р = р (С О ) =

М ( СО) м

V,м 28 г/моль 22,4 л/моль

1,25 г/л.

Ответ: р(СО) = 1 ,2 5 г /л .

ВЫВОДЫ

Молярный объем — объем 1 моль вещества. Эта физическая величина является отношением объема к количеству вещества. М олярные объемы твердых и жидких веществ разные, а газов (при одних и тех же тем пературе и давлении) — одинаковы. При нор мальных условиях (температуре О°С и давлении 101,3 кПа, или 760 мм рт. ст.) 1 моль любого газа занимает объем 22,4 л. В равных объемах различных газов при оди наковых температуре и давлении содержится одинаковое число молекул (закон Авогадро). 21

2 5 . Что т а к о е м ол я р н ы й о б ъ е м в е щ е ств а ? К а к м о ж н о е го в ы чи сл и ть? 2 6 . П лотность а зо та пр и н о р м а л ь н ы х усл о ви ях с о ста в л я е т 1 ,2 5 г /л . В ы числ ите м ол яр н ы й о б ъ е м га з а пр и этих усл о ви ях. 2 7 . П лотность га з а пр и н о р м а л ь н ы х усл о ви ях со с та в л я е т 1 ,4 3 г /л . К а к о в а м ол я р н ая м а сса га за ? 2 8 . Н айдите о б ъ е м ы 1 га з о в : а) в о д о р од а , в з я т о го ко л и ч е с тв о м в е щ е ства 1 0 м оль; б) с е р о в о д о р о д а Н2Б м а ссо й 3 ,4 г; в) у га р н о го га з а СО м а с с о й 0 ,2 8 г. (Устно.) 2 9 . Ч е л о в е к в с утки в м е с те с во зд ухом в ы д ы ха ет 5 0 0 л у гл е ки с л о го га з а . О пределите м а ссу э т о го о б ъ е м а га за . 3 0 . В ы числ ите м ол яр н ую м а с с у н е к о т о р о го га з а , если 6 0 г е го з а н и м а ю т о б ъ е м 4 4 ,8 л. (Устно.) 3 1 . Где с о д е р ж и тс я б ол ьш е в с е го м ол екул — в 1 л воды , 1 л к и с л о р о да или 1 л в о д о р о д а ? О твет о б ъ ясн и те . 3 2 . И м ею тся о д и н а к о в ы е м а ссы га з о в — во д о р о д а и м е та н а СН4. К а к о в о со о тн о ш е н и е их о б ъ е м о в ?

Д Л Я Л Ю Б О ЗН А ТЕ Л Ь Н Ы Х ДЛ5

Соотношение объем ов газов в химических реакциях С о гл а сно з а к о н у А в о га д р о , р а в н ы е объ е м ы га з о в с о д е р ж а т о д и н а к о в о е числ о м олекул (п р и о д и н а ко в ы х условиях). Если ка ж д а я м олекула о д н о го га з а р е а ги р у е т с од но й м ол е кул ой д р у го го , н а п р и м ер, в о в р ем я р е а кц и и Н2 + С12 = 2НСІ, (1) то д о л ж н ы в з а и м о д е й с т в о в а т ь о д и н а ко в ы е о б ъ е м ы в е щ е ств, с к а ж е м , 1 л Н2 и 1 л С12. В р е а кц и и 2Но + О , = 2 Н ,0 ( 2) на один о бъ ем ки сл о р о д а д о л ж н ы приход иться д в а о б ъ е м а р е а ги р ую щ е го с ним водород а. Т о л ько при т а к о м усл о ви и числ о м олекул во до р од а будет в д в о е п р е в ы ш а ть числ о м олекул ки сл о р о д а , к а к т о го «требует» х и м и ч е с ко е ур а в н е н и е . О б об щ е н ие м этих в ы в о д о в является закон объемных соотноше ний газов, ко то р ы й о ткр ы л ф р а н ц у з с ки й уче н ы й Ж . Ге й -Л ю сса к в 1 8 0 8 г.:

ч:

1 В этой и последующих задачах к параграфу объемы газов соответ ствуют нормальным условиям. 22

объемы газов, которые вступают в реакцию и образуются результате реакции, соотносятся как небольшие целые числа. Со в р е м е н е м уче н ы е уста н о в и л и , что эти числ а явл яю тся со о т ветствую щ им и ко эф ф и ц и е н та м и в х и м и ч е с ки х ур а в н е н и я х. Итак, для га з о в в р е а кц и я х (1) и (2) Ц Н 2) : V(C\2) : ЦНС1) = 1 : 1 : 2 ; Ц Н 2) : У(02) = 2 : 1 . И спо л ь зо в а н и е з а к о н а Ге й-Л ю сса ка дает в о з м о ж н о с т ь х и м и ку или и н ж е н е р у-те хн о л о гу опре д ел ить, к а к и е о б ъ е м ы га з о в н уж н о взять для о сущ ествления р е а кц и и . О тобрать о пр е д е л е н н ы й о бъ ем газа зн а ч и те л ь н о л е гче , чем в з в е с и т ь е го не об хо д и м ую массу.

Относительная плотность га за Материал параграфа поможет вам: > вы яснить, что та ко е относительная плотность газа; >• вы чи слять относител ьную плотность о д н о го га за по д р уго м у газу; > реш ать за д а ч и с и с п о л ь зо в а н и е м относител ьной плотности га зо в .

О тносительная плотность газа. В равных объемах различных газов содержится одно и то же число м олек ул1. П оскольку м олекулы различны х веществ обычно имеют разную массу, то массы одинаковых объемов газов, как правило, разные. Например, масса 1 см3 кислорода составляет 0,00143 г, а масса тако го же объема водорода — 0,0000893 г. Значит, кислород тяж елее водорода (рис. 4). А во сколько раз? Разделим массу 1 см3 кислорода на массу 1 см3 водорода: 1 При одних и тех же условиях. 23

Рис. 4. С равнение м асс о д и н а ко в ы х о б ъ е м ов га з о в

т ( 0 2) _ 0,00143 г т ( Н 2) 0,0000893 г Ч и сло 16 называют от носит ельной плот ностью кислорода по водороду. Ее обозначают буквой П и записывают так: £>н2(0 2) = 16.

О т н о с и т е л ь н а я п л о т н о с т ь г а з а п о д р у г о м у г а з у — эт о о т н о ш е н и е м а с с ы о п р е д е л е н н о г о о б ъ е м а га за к м а с с е т а к о г о ж е о б ъ е м а д р у г о г о г а з а (п р и о д и н а к о в ы х т е м п е р а т у р е и д а в л е н и и ). Масса 1 см3 вещества численно равна его плотности. Плотности кислорода и водорода (при нормальных условиях) таковы: р (0 2) = 0,00143 г/см3, р(Н 2) = 0,0000893 г/см3. Узнать, во сколько раз кислород тяж елее водорода, можно, разделив плотность кисло рода на плотность водорода: Р ( о 2) 0,00143 г/см3 А ь (0 2) = = 16. р(Н2) 0,0000893 г/см3 Эта ф ормула объясняет, почему физиче скую величину, о которой идет речь в парагра фе, называют относительной плотностью. Относительная плотность, как и относи тельная атомная (м олекуляр н ая, ф орм уль ная) масса, не имеет размерности. Если взять по 22,4 л кислорода и водорода при нормальных условиях, то массы веществ (в граммах) будут численно равны их моляр ным массам или относительным м олекуляр24

Это интересно Самый легкий среди газов — водород Н2, а самый тяжелый — радон Ип.

ным массам. Отсюда — такие варианты вычи сления относительной плотности кислорода по водороду: т 0 2) М г(0 2) 32 ^н«(0а) М (Н 2) Л*Г(Н 2) 2 1Ь‘ Преобразуем все приведенные выше форму лы на общие. Более тяжелый газ обозначим буквой В , более легкий — буквой А , а относи тельную плотность первого газа по второму —• П А(В ): п ( т - гп {В )_ р (В ) _ М Г(Б ) _ М (В ) АІ ' т (А ) р(А) М Г(А ) М (А ) ' Запомните: соотношение масс газов можно использовать для вычисления относительной плотности лиш ь при условии, что У (В ) = У (А ). ► Вычислите относительную плотность угле кислого газа по гелию. Газы часто сравнивают с воздухом. Хотя воздух является смесью газов, его можно условно считать газом с относительной моле кулярной массой 29. Это число называют сред ней относительной молекулярной массой воз д у х а . Оно находится в промежутке между числами 32 и 28 — относительными молеку лярными массами кислорода 0 2 и азота N 2, главных компонентов воздуха. (Эти два газа занимают почти 99 % его объема.) ► Докажите, что газы водород, гелий и метан легче воздуха. Установить, легче или тяж елее воздуха определенный газ, очень просто. Достаточно заполнить им резиновый шарик и отпустить его (рис. 5, 6). Формулы для расчета относительной плот ности газа В по воздуху имеют такой вид: п МАВ) _ М (В ) 29 29 25

Рис. 5. Д в и ж е н и е в воздухе ш аров, за пол не нны х р азличны м и га за м и

Рис. 6. М ете ор о л оги чески е зонды , за пол н е н н ы е гелием

Решение задач. Покажем, как решают зада чи с использованием изложенного в параграфе материала. ЗАДАЧА 1. Р ассчи тать о тн о с и те л ь н у ю п л о тн о сть у гл е ки с л о го га з а по в о д о р о д у и п о в о зд уху.

Дано:

Решение со2 Находим относительную плотность углекислого газа по водороду и по воздуху. £>н 2( С 0 2) — ? М ( С02) 44 г/моль D вoзд{C 0 2) — ? £>н2( с о 2) = 22; М (Н 2) 2 г/моль 44 г/моль М (С 0 2) = 1,52. Е * е о з д . ( С 02 ) М (возд.) 29 г/моль Ответ: Он2(С 0 2) = 2 2 ; О,воЭД.(С02) = 1 ,5 2 .

В соответствии с полученным результатом углекислый газ в 1,52 раза тяжелее воздуха. Очевидно, что воздух во столько же раз легче углекислого газа. Если для неизвестного газа В определена его относительная плотность по газу А , то можно вычислить молярную или относительную м олекулярную массы газа В по формулам, которые являются производными от приве денных выше: М (В ) = ПА(В )* М (Л ); М Г(В ) = ПА( В ) . М Г(Л). 26

ЗАДАЧА 2. Относительная плотность газа X (соединение Сульфура)

по водороду равна 17. Вычислить молярную массу г а з а х и найти формулу соединения. Дано:

Решение

1)н2( Х ) = 1 7

1. Вычисляем молярную массу газа X по одной из формул, приведенных в параграфе: М ( Х ) = /)„2(Х ) •М ( Н2) = 1 7 - 2 г/моль = 34 г/моль. 2. Находим формулу соединения. П оск ольку М (Є ) = 32 г/м оль, то в м олекуле соединения X содержится один атом Сульфура. (Если бы атомов этого элемента было два или больше, то молярная масса соединения превы шала бы 2*32 г/моль = 64 г/моль.) На второй элемент в молярной массе соединения прихо дится 34 —32 = 2 (г/моль). Очевидно, что этим элементом является Гидро ген; его атомов в молекуле соединения — два. Формула соединения — Н 28 .

М(Х) — ? X — ?

Ответ: М(Х) = 34 г/моль; формула соединения — Н25.

ВЫВОДЫ

Относительная плотность газа по другому газу — это отношение массы определенного объема газа к массе такого же объема другого газа (при одинаковых температуре и давлении). Значение относительной плотности газа пока зывает, во сколько раз он тяжелее другого газа. В качестве газа сравнения часто служит воз дух. Он ведет себя как газ с относительной моле кулярной массой 29. По относительной плотности газа можно вы числить его молярную массу.

33. Сопоставьте ф и з и ч е ски е в е л и чи н ы «относительная плотность» и «плотность».

34. Почему для относительной плотности га за не ука зы в а ю т давление и температуру? 27

3 5 . О пределите плотность возд уха при н о рм а л ьн ы х условиях. 3 6 . В ы числите отн осите л ьн ую плотность по в одород у га з о в с та ки м и ф орм улам и: Не, Ые, СН4, (МН3, 1\12, СО, 51Н4, 5 0 2. (Устно.) 3 7 . Н а зо в и те д в а га за , ко то р ы е тяж е л ее воздуха. 3 8 . М а сса 2 л га з а X со ставл яе т 3 ,7 5 г, а м асса т а к о го ж е объ ем а га за У — 2 ,3 2 г. О пределите плотность га за X, а т а к ж е е го о тн о си тельную плотность по га з у У. 3 9 . О тносительная плотность га за А по воздуху со став л яе т 1 ,5 9 . О пределите отн осите л ьн ую м олекулярную м ассу э то го га за . 4 0 . Н е ко тор ы й га з л е гче во зд уха в 1 ,7 р а за . Тяжелее он или легче га за м етана СН4 и в о с к о л ь к о р аз? 4 1 . Га зоо б ра зн о е простое в е щ е ств о им ее т относител ьную плотность по водороду 2 4 . Н айдите ф ормулу в ещ ества. (Устно.) 4 2 . Один литр н е ко то р о го га з а им еет при норм альны х условиях м ассу 1 ,9 6 г. К а ко в а относительная плотность этого га за по азоту?

/лл ДЛ Я

Л Ю Б О ЗН А ТЕЛ Ь Н Ы Х

О средней относительной молекулярной массе воздуха П очему средняя относител ьная м ол екул ярная м асса воздуха р ав н а 2 9 , а не 3 0 — ср ед н е м у а р иф м е тиче ско м у относительны х м олекулярны х м асс кисл о ро д а (3 2 ) и а зота (2 8 )? Потому что в в о з духе содерж ится н е о д и н а ко в о е ко л ичество этих га зо в : кисл ород а — 2 1 % по объему, азота — 7 8 %. В ы числим с р е д н ю ю м ол ярную м ассу воздуха (она чи сл е н н о р авна средней относител ьной м олекулярной м ассе). П редполож им , что возд ух состоит то л ь ко и з кисл ород а и азота. Тогда средняя м олярная м асса воздуха будет р ав н а м ассе 1 моль см еси га з о в 0 2 и ГМ2. К оличества вещ ества га з о в пр о по р ц и о н а л ьны их об ъ е м ам или объ е м ны м долям (ф):

п(0 2) : п(ГМ2) = ф(02) : ф(Ы2). В зяв пр и б л и ж е н н ы е зн а ч е н и я объ ем ны х долей га з о в 0 2 и 1М2 в воздухе (0 ,2 и 0 ,8 со отве тстве н но ), вы числим ко л и че ств о ве щ ества к а ж д о го га за в 1 моль см еси: п ( 0 2) + л(Ы2) = 1 моль; л (0 2) = 0 ,2 ■ 1 моль = 0 ,2 моль; п(ГМ2) = 0 ,8 - 1 моль = 0 ,8 моль. Найдем массу 1 моль воздуха, т. е. 1 моль смеси га зо в 0 2 и 1\12: т (в о з д .) = п (0 2) - М (0 2) + п(ГЧ2) ■М(Ы2) = 0 ,2 - 3 2 + 0 ,8 - 2 8 » 2 9 (г). Таким о б р а зо м . М (во зд .) = 2 9 г/м о л ь ; М г(возд .) = 2 9 .

шяА раздел

Важнейшие классы неорганических соединений

Из курса химии 7 класса вам известно, что все вещества делят на органические (соедине ния Карбона) и неорганические (соединения других элементов, а также простые вещества). О бласть х и м и ч еск о й н а ук и , к о т о р а я и зу ч а е т н ео р га н и ческие вещ ества, н а зы в а ю т н е о р га н и ч е с к о й х и м и е й . Известны сотни тысяч неорганических веществ. Чтобы разобраться в их многообра зии, ученые распределили эти вещества по группам, которые назвали классами. В этом разделе речь пойдет о таких важней ших классах неорганических соединений: • оксиды Е тОп (Ы 20, Б03, ...); • основания Л/(ОН)п (КОН, Ва(ОН)2, ...); • кислоты Н пА , НтЕОп (НС1, Н^О,,, ...); • соли М тА п, М т(Е О п)р (ИаС1, СаС03, ...). Напомним: буква Е — общий символ хими ческого элемента. Буквой М в общих форму лах соединений обозначен металлический элемент, а буквой А — неметаллический эле мент (он может находиться в VI или V II группе периодической системы Д. И. Менделеева). Вещества, принадлежащие к одному клас су, похожи по составу, а основания, кислоты и соли — еще и по свойствам и строению. 29

Оксиды

Материал параграфа поможет вам: > вы ясн ить состав и строение о кси д о в ; > составлять формулы и н а зв а н и я о кси д о в .

Рис. 7. Радуга над водопадом

На нашей планете есть вещество, благодаря которому существует жизнь. Ему посвящено множество песен, стихов, сказок, с ним связа но немало народных обычаев. Вы, навер ное, уже догадались, что это — вода. Она утоляет жажду, снимает усталость, дарит радость и энергию. Можно долго смот реть, как течет ручей, плещутся о берег волны, любоваться радугой* (рис. 7). С точки зрения химии вода — сложное вещество, имеющее химическую форму л у Н 20 и принадлежащее к оксидам.

О к с и д — со ед и н е н и е, о б р а з о в а н н о е д в у м я х и м и ч е с к и м и э л е м е н т а м и , о д н и м и з к о т о р ы х я в л я е т с я О к си ген . Оксиды образуют почти все элементы (рис. 8). Общая формула оксидов — Е тОп.

Рис. 8. Некоторые оксиды

1 Радуга возникает благодаря эффекту преломления солнечных лучей в каплях воды. 30

Это инте ре сно

Химикам пока не удалось получить оксиды и другие соединения Гелия, Неона, Аргона.

Оксиды ЕтОп

Это и н те ре сн о

Больше всего оксидов образует Нитро ген: Ы20, N0, N203, N02, н 2о 4, N305.

Большинство оксидов металлических эле ментов являю тся ионными соединениями. Так, оксиды с формулами N aaO, CaO, А120 3 содержат ионы N a' , Са2* или А13+ соответ ственно, а также ионы О2 . Полож ительно заряженные ионы называют кат ионам и , отрицательно заряженные — анионами. Оксиды, образованные неметаллическими элементами, имеют преимущественно молеку лярное строение (например, вода Н20, углекис лый газ С 02), иногда — атомное (кварц SiOz). Ф ормулы оксидов. Количественный состав оксидов разнообразен. Он определяется валент ностью элементов. Д ля элемента с постоянной валентностью существует один оксид. Одновалентный Литий образует оксид с формулой L izO, двухвалент ный Кальций — оксид СаО, а трехвалентный Бор — оксид В20 3. Если элемент имеет пере менную валентность, то для него существует несколько оксидов. Например, для Купрума известны оксиды Си20 и СиО, а для Хрома — СгО, Сг20 3 и Сг03. Обозначив химический элемент символом Е , приведем общие формулы для всех суще ствующих оксидов: Е 2О, Е О , Е г0 3, Е О г, Е 20§, Е О э, Е 2О7, Е 0 4. ► Какое значение валентности имеет элемент Е в каждом соединении? В 7 классе вы научились составлять формулы соединений, образованных двумя элементами, по значениям валентности элементов. Напом ним, как это сделать. Выведем формулу молекулярного соедине ния — оксида Сульфура, в котором Сульфур про являет валентность 4. Сначала запишем симво лы элементов и укажем над ним и значения их IV и валентности: Э О . Затем находим наименьшее число, которое делится без остатка на значения валентности 4 и 2. Это число — 4 . Делим его на 4 31

и 2 и получаем соответствующие индексы в фор муле соединения: IV

5 «/4О 4/2

= >

5 0 2

Чтобы составить формулу ионного оксида, необходимо знать заряд иона металлического элемента (его значение совпадает со значением валентности элемента). Заряд иона Оксигена равен —2. Следует помнить, что любое соедине ние электронейтрально. Если оно состоит из ионов, то сумма их зарядов равна нулю. Выведем формулу ионного соединения — литий оксида. Литий — одновалентный металли ческий элемент; он образует ион и*. Запишем ионы Лития и Оксигена: и* О2-. Находим наи меньшее число, которое делится без о с та тка на значения зарядов ионов 1 и 2. Это — число 2. Разделив его на 1 и 2, получаем индексы в фор муле соединения: ^ 2/1 ^ 2 /2 и 20. Это и н те р е с н о

Высшие оксиды элементов I группы Купрума и Аурума — СиО и Аи20 3.

Вам известно правило: наибольшее значе ние валентности элемента совпадает с номе ром группы периодической системы, где он находится. Оксид, в котором элемент про являет такую валентность, называют высшим. ► Напишите химические формулы высших оксидов Силиция, Фосфора и Сульфура. Для веществ молекулярного строения, в том числе и оксидов, кроме химических формул, используют графические формулы. В 7 классе вы составляли такие формулы для некоторых веществ. Напомним, что в графической форму ле атомы соединяют с помощью черточек: А . С1 С1

|| О

Количество черточек возле каждого атома равно значению его валентности в соединении. Необходимо учитывать, что одинаковые атомы в молекулах оксидов не соединяются. 32

► Составьте графические формулы м олекул воды и углекислого газа. Н азвания оксидов. Химическое название оксида состоит из двух слов: первое — назва ние элемента, а второе — «о к с и д »: 1л20 — литий оксид, СаО — кальций оксид, В 20 3 — бор оксид. Если элемент образует несколько оксидов, то в названии каждого соединения после назва ния элемента указывают (без отступа) римской цифрой в скобках значение его валентности: FeO — феррум(Н) оксид, Fe20 3 — феррум(Ш ) оксид, 5 0 2 — сульфур(1У) оксид, 5 0 3 — сульфур(УТ) оксид. В названии соединения склоняется лиш ь второе слово: бор оксида, сульфур(У1) оксидом. ► Назовите оксиды с формулами ZnO, С02, Мп20 3, Р 20 5. Примите во внимание, что Цинк имеет постоянную валентность, а Карбон, Манган и Фосфор — переменную. Эго и н т е р е с н о Д л я вод ы Н 20 хи м и ческое название — ги д роген оксид — не и с п о л ь зу ю т .

2 Химия, 8 кл.

Д ля некоторых оксидов, кроме химических названий, существуют еще и традиционные (тривиальные). Такие названия для соедине ний СаО, С 02и S02 — негашеная известь, у гле кислый газ, сернистый газ. Распространенность в природе. Оксиды содержатся в каждой из трех оболочек нашей планеты — в атмосфере, гидросфере, ли т о сфере. Самым распространенным оксидом в атмо сфере и гидросфере является вода, а в литосфе ре — силиций(ГУ) оксид S i0 2 (минерал кварц, основной компонент песка). В воздухе содер жится небольш ое количество углек и слого газа. Б ольш е всего оксидов встречается в литосфере. Они входят в состав горных пород, почвы, минералов (рис. 9). 33

Рис. 9. Кристаллы м инерал ов

ВЫВОДЫ

Оксид — соединение, образованное двумя элементами, одним из которых является Оксиген. Общая формула оксидов — ЕтОп. Большинство оксидов металлических элемен тов состоят из ионов, а большинство оксидов неметаллических элементов — из молекул. Оксиды имеют химические названия, а некото рые — еще и тривиальные. Первым словом в химическом названии оксида является название соответствующего элемента, а вторым — «оксид». В природе встречается много оксидов. Наибо лее распространены вода и еилии,ий(1 V ) оксид.

4 3 . К а к и е с о е д и н е н и я н а з ы в а ю т о кс и д а м и ? 4 4 . Составьте формулы о кс и д о в , ко то р ы е со д е р ж а т ионы К \ В а2+, 1_а3+. 4 5 . С оставьте ф ормулы о к с и д о в А рсе н а (э л е м е н т п р о я в л я е т в а л е н т но сть 3 и 5) и С елена (п р о я в л я е т в а л е н тн о сть 4 и 6 ). 4 6 . З а п и ш и те ф ормулы с о е д и н е н и й , ко т о р ы е и м е ю т т а к и е н а з в а н и я : а) нитроген(1\/) о кс и д ; в) б ер ил л ий о кс и д ; б) титан(Ш ) о кси д ; г) в а н а д и й (\/) о кси д . 4 7 . С оставьте гр а ф и ч е с ки е ф ормулы м олекул о к с и д о в Б 0 2 и В20 3. 4 8 . С остав л ю б о го о кс и д а м о ж е т о тв е ч а ть о д н о й и з о бщ их ф ормул ЕОт или Е2Оп. К а к и е з н а ч е н и я м о гут п р и н и м а ть т и п в этих ф о р мулах? 34

4 9 . Д ай те х и м и ч е с ки е н а з в а н и я о кси д а м эл ем е н тов с п е р е м ен н о й валентностью : Р Ь02, Re20 7, М0 О3, 0 s 0 4. 50. Вы числите м а с с о в ы е доли эл ем е н тов в сульфур(1\/) о кс и д е и сульфур(У1) о кси д е . 51. У ченики кл а сса за 4 5 м и н ут у р о ка вы ды хаю т в м есте с воздухом 1 ,1 к г угл е ки с л о го га за . К а к о й о бъ ем з а н и м а е т этот га з при н о р м альны х условиях? 52. К а ки е ко л и ч е ств а в е щ е ств а и о н о в со д ер ж а тся в 1 моль та ки х о кс и д о в : Li20 , CaO, А12Оэ? (Устно.) 53. Найдите массу: а) титан(1\/) о кси д а ко л ичество м вещ ества 2 моль; б) нитроген(М) о кси д а , в ко то р о м сод ерж ится 1 0 23 м олекул. (Устно.) 54. К а ка я м асса а л ю м и н и й о кс и д а со д е р ж и т сто л ько ио н ов , с ко л ь ко м олекул со д ер ж ится в 1 1 г карбон(1У) о кси д а ?

Основания

Материал параграфа поможет вам: > вы яснить, что та ко е осн ова н ие ; > составлять формулы и н а зв а н и я о сн ова н ий; > о п р е д е л я ть о кс и д ы , ко то р ы е с о о тв е тств ую т о пределенны м о сн ова н иям .

Известь — соединение, известное человеку давно. Смесь извести с водой нередко использу ют и в настоящее время в строительстве. Такой смесью белят стволы и ветки деревьев, защи щая их от вредителей, а зимой — от солнечных ожогов. Известь (точнее — гашеная известь) Са(ОН)2 принадлежит к классу оснований. Каждое основание образовано тремя элемен тами. Из них два элемента «обязательные» — Оксиген и Гидроген, а третьим является метал лический элемент. О снова ни е — соеди н ен и е, котор ое состои т и з кати он ов м ета лли ч еск о го э л е м е н т а Л Г + и гидроксид-анионов О Н . 35

Основания М (О Н )„

Название иона ОН происходит от названий элементов Гидрогена и Оксигена. Объяснить, почему его заряд равен —1, можно так. Пред ставим себе, что ион ОН образуется в резуль тате соединения ионов Н + и О2 , и слож им заряды этих частиц: +1 —2 — —1. Ф о р м у лы оснований. Выведем общую химическую формулу соединений этого клас са. Вы знаете, что любое вещество электроней трально. Поэтому в основании на каждый ион металлического элемента с зарядом +п долж но приходиться п ионов ОН . Следовательно, общая формула оснований — М (О Н )„. Примеры химических формул оснований: ИаОН, М&(ОН)2, В1(ОН)3. ► Запишите формулы оснований, которые являются соединениями Лития и Бария. Примите во внимание, что величина заряда иона металлического элемента совпадает со значением его валентности.

Это интересно

Оснований АёОН и Н^(ОН)2 не существует.

Основания — ионные соединения. Поэтому для них не составляют графические формулы. Н азвания оснований. Хим ические назва ния оснований состоят из двух слов. Первым словом является название элемента, а вто рым — «гидроксид». Например, соединение с формулой КаОН называют «натрий гидрок сид», а основание М|£(ОН)2 — «магний гидрок сид». Склоняется лиш ь второе слово названия: натрий гидроксида, магний гидроксидом. Если элемент имеет переменную валентность, то в названии основания указывают ее значение после названия элемента (римской цифрой в скобках): Ре(ОН)2 — феррум(П) гидроксид. ► Дайте названия основаниям, которые имеют формулы КОН, Сг(ОН)2.I

I 36

Среди соединений с общей формулой М(ОН)п есть и такие , которые не принадлежат к основа-

ниям, таи паи отличаются от них по химическим свойствам. Их назы ваю т амф отерны ми гидрок сидами (§ 13).

Основание <=> основный оксид. Каждому основанию соответствует определенный оксид: ЫаОН => К а20 ; М п(ОН)2 => МпО. Заряд иона металлического элемента в осно вании и оксиде один и тот же. ► Напишите формулу оксида, который соот ветствует основанию В1(ОН)3. Оксиды, которые отвечают основаниям, называют основными. В отличие от оксидов, оснований в природе нет.

ВЫВОДЫ

Основания — соединения, которые содержат катионы металлических элементов М п+ и гидроксид-анионы ОН". Общая формула основа ний — М(ОН)„. Химическое название основания состоит из названия металлического элемента и слова « гидроксид ». Каждому основанию соответствует оксид; его называют основным оксидом. Заряд иона метал лического элемента в этих соединениях один и тот же.

55. К а ки е со е д и н е н и я н а з ы в а ю т о с н о в а н и я м и ? З а п и ш и те общ ую формулу о с н о в а н и й , о б р а з о в а н н ы х д в ухв а л е н тн ы м и м ета л л иче ски м и эл ем е н там и. 56. Составьте ф ормулы ц е зи й ги д р о кс и д а , титан(Ш ) ги д р о кси д а . 57. Н апиш ите ф ормулы о кс и д о в , ко то р ы е со отв е тств ую т о с н о в а н и я м с т а ки м и ф орм улам и: КОН, У(ОН)2, 1_а(ОН)3. 37

5 8 . К а к о е ко л и ч е с тв о в е щ е ств а ка ж д о го ио н а со д е р ж и тся в 1 м оль с о е д и н е н и й : МаОН, Ре(ОН)2, ВКОН)3? (Устно.) 5 9 . В к а к о м о с н о в а н и и б о л ьш е и о н о в : б а р и й ги д р о кс и д е ко л и ч е ство м в е щ е ств а 3 м оль или ка л и й ги д р о кс и д е ко л и ч е с тв о м в е щ е ства 4 м оль? О твет о б о сн уй те . 6 0 . В ы числите м ассу 0 ,2 м ол ь литий ги д р о кс и д а . (Устно.)

Кислоты

Материал параграфа поможет вам: > вы яснить, что т а ко е кислоты ; > составл ять формулы и н а зв а н и я кислот; > кл а сси ф и ц и р о в а ть кисл оты по о пре д ел е н н ы м признакам ; > о п р е д е л я ть о кс и д ы , к о т о р ы е со о тв е тс тв у ю т кисл отам .

Прочитав название параграфа, кое-кто вспомнит вкус лимона или апельсина. В самом деле, такой вкус обусловливают соединения, общее название которых — кислоты (рис. 10). К и с л о т а — со ед и н е н и е , м о л е к у л а к о т о р о го с о д ер ж и т о д и н и л и н е с к о л ь к о а т о м о в Г и д р о г е н а , с п о с о б н ы х п ри хи м и ческ и х р еак ц и я х зам ещ аться на а том ы м е т а л л и ческого элем ен та.

Рис. до. Кислоты: а — ортоборатная (борная); б — сульфатная (серная) 38

Кислоты Н пЕ Н тЕО„

Состав кислот. Все кислоты имеют молеку лярное строение. Д ля них существуют две общие формулы — H„J£ и И тЕ О п. Кислот, кото рые отвечают первой формуле, немного. И х образуют неметаллические элементы V I и V II групп периодической системы. Примеры химических формул кислот: HCl, H 2S, H N 0 3, H 2S 0 4, Н 3Р 0 4. При замещении атомов Гидрогена в молекулах кислот, например, на атомы Натрия, образуются соединения1с такими формулами: NaCl, Na2S, N a N 0 3, N a2S 0 4, Na3P 0 4. Часть м о лек у лы кислоты , соединенную с атомом (атом ам и) Гидрогена, называют кислот ны м ост ат ком . Д ля кислоты с форму лой НС1 кислотным остатком является атом Хлора, д ля кислоты H 2S 0 4 — группа атомов

so4.

Количество атомов Гидрогена в м олекуле кислоты определяет валентность кислотного остатка. Например, кислотный остаток С1 одновалентный (м олекула НС1 содержит один атом Гидрогена), а остаток S 0 4 — двухвалент ный (в м олекуле H 2S 0 4 два атома Гидрогена). Таким образом, понятие «валентность» при меняют не только для атомов, но и для групп соединенных между собой атомов. ► Назовите кислотные остатки для кислот HBr, H 2S, Н 3Р 0 4 и укажите валентность каждого из них. Элемент, который образует кислоту, назы вают кислот ообразую щ им . Покаж ем, как можно определять значение его валентности в кислотах с общей формулой И тЕ О п. В каче стве примера возьмем соединение, имеющее ф ормулу H 2S 0 4. Запишем над символами 1 Общ ее название эти х соед и н ен и й — с о л и .

Гидрогена и Оксигена значения валентности этих элементов: I п Н 28 0 4. Количество единиц валентности для 4-х ато мов Оксигена составляет 2 * 4 = 8, а для 2-х атомов Гидрогена — 1 -2 = 2. Значение ва лентности атома Сульфура равно разнице между первым и вторым числом, т. е. 8 —2 = 6: I VI и н 2б о 4.

► Определите валентность Фосфора в кисло те, имеющей формулу Н 3Р 0 4. Поскольку кислоты — молекулярные соеди нения, то для них использую т графические формулы. Составлять такие формулы для молекул кислот с общей формулой Н„К очень просто. Покажем, как это сделать для молеку лы кислоты, которая состоит из атомов трех элементов, а также для ее кислотного остатка. УПРАЖНЕНИЕ. Составить графические формулы молекулы кислоты

Н25 0 4 и е е кислотного остатка. Решение

С п о с о б 1. Мы только что выяснили, что элемент Сульфур в кислоте Н 2в 0 4шестивалентен. Записываем вокруг кислотооб разующего атома 6 черточек: — Б— / ч Все эти черточки (единицы валентности) должны также «при надлежать» 4-м двухвалентным атомам Оксигена. Размещаем атомы Оксигена вокруг атома Сульфура. Двум атомам Оксигена «вы деляем » по две черточки, а для двух других остается по одной: О и о -эII -о

Все единицы валентности атома Сульфура использованы, однако у левого и правого атомов Оксигена не хватает по одной 40

черточке (Оксиген — двухвалентный элемент). Записываем эти черточки и получаем графическую формулу кислотного остатка 8 0 4: О и - 0 8 - 0 II

И з этой формулы видно, что остаток кислоты двухвалентен. Дописываем слева и справа по атому Гидрогена и получаем графическую формулу молекулы кислоты Н 28 0 4: О Н -О -Б -О -Н . II О С п о с о б 2. Записываем химическую формулу соединения, выделив в ней группы атомов ОН (гидроксильные группы): Н 28 0 4 => 8 0 2(0 Н )2. Гидроксильная группа одновалентна: -О -Н . Соединяем чер точкой каждую группу ОН с атомом Сульфура: Н-О-Б-О-Ы П оскольку атом Сульфура ш естивалентный, размещаем вокруг него еще четыре черточки и к каждой их паре записыва ем по атому Оксигена: О Н-О-в-ОН II О ► Составьте графические формулы молекулы кислоты Н 3Р 0 4 и ее кислотного остатка. Классиф икация кислот. Кислоты отлича ются друг от друга. И х делят на несколько групп. К каждой группе принадлежат ки сло ты, сходные по определенным признакам. Сухцествуют безоксигеновые и оксигенсодер жащие кислоты. Названия этих групп кислот указывают на отсутствие или наличие в моле кулах соединений атомов Оксигена. 41

Примеры кислот каждой группы: HCl H 2S H NO3 h 2s o 4 н 3р о 4 безоксигеновые

Это интересно

Цианидная кислота НСИ — безоксигеновая кислота, образованная тремя элементами. Она является сильным ядом.

оксигенсодержащ ие

Безоксигеновых кислот известно немного. Их общая формула — Н„К. Это не чистые веще ства, а водные растворы газообразных соедине ний некоторых неметаллических элементов с Гидрогеном: HF, HCl, HBr, Ш , H 2S. Оксигенсодержащих кислот намного боль ше. Они имеют общую формулу Н тЕ О п. Д ругой признак для классификации кис лот — количество атомов Гидрогена в м олеку ле соединения. Соответствующую характери стику кислоты называют основност ью. Суще ствуют одно-, двух-, трехоенбвные кислоты, а также несколько кислот с более высокой основностью. Примеры кислот соответствую щих групп: HCl H N 0 3 НгБ H 2S 0 4 H 3A s 0 3 Н 3Р 0 4

одноосновные двухосновные трехосновные По химической акт ивност и кислоты делят на сильные и слабые. Сильные кислоты, в отли чие от слабы х, активно взаимодействуют со многими веществами. Известны также не сколько кислот средней силы. Примеры кислот различной активности (см. также форзац 2): HCl H N 0 3 Н:,S04 HF H 2S03 Н3Р 0 4 H 2S Н 2С03 H 2S i0 3 сильны е

средней си лы

слабые

Названия кислот. Кислоты имеют химиче ские и тривиальные названия. Формулы и наз вания важнейших кислот указаны в таблице 1. Химические названия кислот состоят из двух слов. Второе слово во всех названиях — «к и слота ». Корень первого слова происходит от названия элемента, который образует кислоту (хлоридная кислота — соединение Х лора). Первое слово названия безоксигено42

Таблица 1

Важнейшие кислоты Формула НГ НС1

н2в ЬШ03

н2со3 ВДЗЮз НгвОз Нг804 н 3р о 4

химическое Фторидная Хлоридная Сульфидная Нитратная Карбонатная Метасиликатная Сульфитная Сульфатная Ортофосфатная

Название тривиальное Фтороводородная, плавиковая Хлороводородная, соляная1 Сероводородная Азотная Угольная Кремниевая Сернистая Серная Фосфорная

вой кислоты имеет суффикс «и д » (Н 28 — суль фидная кислота). Д ля оксигенсодержащей кислоты это слово может иметь разные суф фиксы. Если кислотообразующий элемент проявляет в соединении наивысшую валентVI

ность, то используют суффикс «а т» (Н 28 0 4 — сульфатная кислота), а если низшую — «и т » IV

(Н 28 0 3 — сульфитная кислота). В химических названиях кислот Н 28Ю3 и Н 3Р 0 4 есть еще и приставки «м ета», «орто» (табл. 1). Тривиальные названия большинства кислот происходят от названий простых веществ или соединений элементов с Гидрогеном. Кислота <=> кислотный оксид. Для каждой оксигенсодержащей кислоты существует ок сид. Его называют кислот ным оксидом. Зна чение валентности кислотообразующего эле мента в кислоте и в соответствующем оксиде-одно и то же: I

V I II

V III

Н 28 0 4 — в 0 3

III II

III

Н 3А э 0 3 — А б20 3

1 К и сло та названа с о л я н о й , п о то м у ч то р ан ьш е ее п о л у ч а л и и з с о л и

N801. 43

► Запишите формулу кислотного оксида, который соответствует кислоте Н 3Р 0 4.

Рис. 11. П риродны е исто чники о р га н и ч е с ки х кислот

Распространенность в природе. На нашей планете встречается немало кислот. Карбонат ная кислота образуется в результате растворе ния в природной воде углекислого газа С02. Во время извержений вулканов в атмосферу поступают сероводород Н 28 и сернистый газ 8 0 2. Первое соединение, растворяясь в воде, образует сульфидную кислоту, а второе, реа гируя с водой, — сульфитную. Растительный и животный мир богат на кислоты , которые принадлеж ат к органическим соединениям. Лимонная, яблочная, щавелевая кислоты содержат ся в некоторых фруктах, ягодах, овощах (рис. 11), муравьиная кислота — в мура вьях (поэтому их укусы ощ утимы), пче лином яде, крапиве. При скисании м оло ка, вина, фруктовых и ягодны х соков образуются соответственно молочная и уксусная кислоты . М олочная кислота содержится также в квашеной капусте, си ло се для скота; она накапливается в мышцах во время их работы. В ж елудочном соке есть неорганическая кислота — хлоридная.

ВЫВОДЫ

Кислота — соединение, молекула которого содержит один или несколько атомов Гидроге на, способных в результате реакций замещать ся на атомы металлического элемента. Д ля кислот существуют две общие формулы — Н пЕ и НтКО„. Часть молекулы кислоты, соединенную с ато мом (атомами) Гидрогена, называют кислотным остатком. Все кислоты имеют молекулярное строение. 44

Существуют безоксигеновые и оксигенсодержащие кислоты. По количеству атомов Гидроге на в молекуле различают одноосновные, двухос новные, трехосновные кислоты, а по химиче ской активности — сильные и слабые. Каждой оксигенсодержащей кислоте соответ ствует оксид, который называют кислотным. В оксиде и кислоте значение валентности кисло тообразующего элемента одно и то же. Кислоты имеют химические и тривиальные названия. Кислоты распространены в природе.

6 1. Д айте о п р е д е л е н и е ки сл о ты . Что т а ко е ки с л о тн ы й о ста то к? 6 2 . Для ки с л о т Н2Те, НГ\Ю2 и Н3А з 0 4 за п и ш и те ф ормулы ки сл о тн ы х о с та тко в и у к а ж и т е их в а л е н тн о сть. 6 3. По к а к и м п р и з н а к а м кл а с с и ф и ц и р у ю т ки сл о ты ? В пиш ите ф орм у лы ки с л о т НСЮ3, НВг, Н2Т е 0 3, ИР, НГЮг, Н25 е , Н3А б 0 4 в с о о тв е т ствую щ ие с то л б и ки та б л и ц ы : К ислоты о кс и ге н б ез с о д е р ж а щ и е о кси ге н о в ы е

одно основны е

двух о сновны е

трех о сновны е

64. О пределите ва л е н тн о сть ки с л о то о б р а зу ю щ и х э л е м е н то в в ки с л о тах НСЮ, НРОэ, Н2Т е 0 4 и за п и ш и те ф ормулы о кс и д о в , ко то р ы е о твеча ю т этим ки сл о та м . 65. Найдите со о тв е тств и е : ф ормула кисл оты н а з в а н и е кисл оты а) се л енид на я; 1) Н25е03; б) се л ен а тн ая; 2) Н25е; в) се л ен итн а я. 3) Н2Б е 0 4; 66. Составьте гр а ф и ч е с ки е ф орм улы м олекул ки с л о т Н1, НСЮ, Н2Т е 0 3 и соответствую щ их ки сл о тн ы х о с та тко в . 67. К а ки е ко л и ч е с тв а в е щ е ств а э л е м е н то в со д е р ж а тся в 0 ,5 м оль та ки х кислот: Н М 03, Н2Б 0 4? (Устно.) 68. Взято 6 ,2 г б о р н о й кисл оты Н 3ВОэ. Р ассчи тайте ко л и ч е с тв о в е щ е ства кислоты . (Устно.) 45

6 9 . В ы числите м а ссо в ы е доли эл е м е н то в в сульф атной кисл оте. 7 0 . С ущ ествую т д в е о к с и ге н с о д е р ж а щ и е ки сл о ты с о д и н а ко в ы м и з н а ч е н и я м и м ол яр ны х м асс — 9 8 г/м о л ь . Н а зо в и те эти кисл оты и н а пи ш ите их ф ормулы .

Соли

Материал параграфа поможет вам: > вы ясн ить, что та ко е соли; >■ составлять формулы и н а зв а н и я солей.

К классу солей принадлежит соединение, которое мы употребляем ежедневно вместе с пищей. Это — поваренная соль ЫаС1. Вам известно, что она состоит из ионов Иа+ и С1~. С о л ь — соед и н ен и е, в состав к о т о р о го в х о д я т к а т и о н ы м е т а л л и ч е с к о г о э л е м е н т а и а н и о н ы к и с л о т н о го оста тк а.

Соли М тА п М т{ЕО п)р

Ион кислотного остатка имеет отрицатель ный заряд; его значение совпадает со значени ем валентности этого остатка: кислота НС1 I кислотный остаток С1 анион кислотного остатка СГ Ф орм улы солей. Д ля солей, как и кислот, существуют две общие формулы — М тА п и М т{Е О п)р. Первой формуле соответствуют соли, которые содержат анионы кислотных остатков безоксигеновых кислот, а второй — соли, анионы которых происходят от оксигенсодержащих кислот. Примеры формул солей: 1лР, СаБ, КаГЮ3, А12(8 0 4)3. Д ля того чтобы составить формулу соли, необходимо знать заряды катиона и аниона, а также учитывать то, что соединение электро

нейтрально. Для выяснения значений зарядов ионов можно использовать таблицу, разме щенную на форзаце 2 (так называемая табли ца растворимости). С остави м формулу соли, которая содерж ит катионы В а2* и анионы РО%~. В состав соли вхо дят ионы, значения зарядов которых неодинако вы: 2 и 3. Наименьшее число, которое делится без остатка на 2 и 3, — число 6 . Д елим его на значения зарядов катиона ( 6 : 2 = 3) и аниона ( 6 : 3 = 2). Получаем количество этих ионов в формульной единице соединения, т. е. соответ ствующие индексы в химической формуле соли: Вэб/2(Р 0 4 )6/3 => Ва 3(Р04)2.

Графические формулы для солей, как и для других ионных соединений, не составляют. Названия солей. Для каждой соли существу ет химическое название, а для некоторых солей — еще и тривиальные названия (табл. 2). Химическое название соли состоит из двух слов. Первое слово — название металлическо го элемента, а второе происходит от химиче ского названия соответствующей кислоты. Таблица 2

Формулы и названия некоторых солей Название соли Формула Химическое название соли соответствую химическое тривиальное щей кислоты кислоты Калий Калийная Н1М03 Нитратная ІШОз нитрат селитра Поташ Карбонатная Калий Н2С03 К2С03 карбонат Флюорит Фторидная Кальций СаГ2 НР (минерал) фторид Хлоридная Феррум(Н) ГеС12 НС1 — хлорид Сульфатная Феррум(Ш) — Ге2(Б04)з Н2!304 сульфат 47

Если элем ент имеет переменную валент ность, то ее значение указывают после назва ния элемента (табл. 2, рис. 12). Склоняется только второе слово хим ического названия соли. Рис. 12. Некоторые соли

Калий хромат

Купрум(И) сульфат Манган(Н) сульфат

Кобальт(Н) хлорид

Никель(Н) сульфат

► Дайте химические названия солям, кото рые имеют такие формулы: КЕ, МеСОо, Ва3(Р 0 4)2, СгС13. Сущ ествую т соли, образованны е только не металлическими элементами. В их состав вхо дят катионы амм ония NН 4. П римеры формул и названий таких соединений: N 4 ^ 1 — ам м оний хлорид; (NN 4)2 ^ 0 4 — ам м оний сульфат; Л/Н4ЛЮ3 — ам м они й нитрат. Д в а последних соединения п р и м е н я ю т в качестве азотных удобрений. С оли а м м о н и я происходят о т осно вания ЫН4ОН (§ 11).

Распространенность в природе. В земной коре содержится много солей (рис. 13). В основ ном, это силикаты. Среди них встречаются и драгоценные камни: голубой топаз (алю м и ний силикат), золотистый циркон (цирконий силикат), бесцветный фенакит (бери лли й силикат) и др. 48

Рис. 13. Кристаллы природных солей

Рис. 14. Кальций карбонат в живой природе

Существует много залежей натрий х ло рида NaCl (каменная соль), калий хлори да КС1, кальций карбоната СаСОэ (м ел, мрамор, известняк). Последнее соедине ние составляет основу ракушек, яичной скорлупы (рис. 14). Сульфиды ZnS, Cu2S, PbS и другие являю тся рудами; из них получают металлы. Различны е соли находятся в раство ренном состоянии в гидросфере. В мор ской воде преобладают хлориды Натрия и Магния, а в пресной — соли Кальция и Магния (в основном карбонатной и суль фатной кислот).

ВЫВОДЫ

Соль — ионное соединение, в состав которого входят катионы металлического элемента и анионы кислотного остатка. Для солей суще ствуют общие формулы М тА п и М т{ЕОп)р. Каждая соль имеет химическое название, а некоторые соли — еще и тривиальные названия. Соли очень распространены в природе.

7 1. К а к и е со ед и н е н и я н а з ы в а ю т со л ям и? Ч ем соли сходны по со ста ву с о с н о в а н и я м и и чем о тл ичаю тся о т них? 7 2. Составьте ф ормулы солей, ко то р ы е со стоят иэ та ки х и о н о в : Мё2\ N 0 3 . С О | \ 49

73. З апиш ите в соответствую щ ие кл е тки пред ставл енной ниж е та б л и ц ы ф ормулы и о н о в , из ко то р ы х со стоят соли А1(М03)3, К ^ В г 2, К 3Р 0 4, и а 25. К ати он ы одно м н о го за р я д н ы е за р я д н ы е

А н ион ы п р осты е одно зарядны е

сложны е м н о го м н о го одно зарядны е зарядны е зарядны е

7 4 . Д а й т е н а з в а н и я со л ям , ко то р ы е и м е ю т т а к и е ф орм улы : ЫаВг,

А ^ з , и 2504, СаБОз7 5 . С оставьте ф ормулы ц е з и й иодида, а л ю м и н и й ф торида, хром (Ш ) сульф ата, л итий ортоф осф ата. 7 6 . О д и н а ко в ы е или р а з н ы е ко л и ч е ств а в е щ е ств а а н и о н о в с о д е р ж а тся в 2 0 г СаСОэ и в 2 0 г С аВг2? (Устно.) 7 7 . С п ом ощ ью х и м и ч е с ко го а н ал и за установл ено, что в по рц ии нат рий сульфата со д ер ж ится 0 ,5 м оль и о н о в 5 0 |~ . К а к о е ко л и честв о вещ ества и ка ка я м асса и о н о в Натрия в этой по р ц и и со ед инения? (Устно.) 7 8 . Где содерж ится наибол ьш ее сум м а р н ое кол ичество ио нов: в 1 моль ал ю м иний сульфата, 2 м оль феррум(Ш) нитрата, 3 моль б арий хло рида или 4 моль литий фторида? 7 9 . Для о п ы то в взял и о д и н а ко в ы е м ассы феррум(Ш) ортоф осф ата, нат рий хлорида и ка л ьц и й ка р б о н а та . Сопоставьте с ум м а р н ы е ко л и че ства и о н о в в этих по р ц и я х солей и вы б е р и те пр а в и л ьн ы й ответ: а) бол ьш е в с е го и о н о в в по р ц и и ф еррум(Ш ) ортоф осф ата; б) б ол ьш е в с е го и о н о в в п о р ц и и на трий хлорида; в) б ол ьш е в с е го и о н о в в п о р ц и и ка л ь ц и й ка р б о н а та ; г) во в зя ты х п о р ц и я х солей — о д и н а к о в о е ко л и ч е с тв о и о н о в .

Свойства и п р и м ен ен и е оксидов Материал параграфа поможет вам: >

в ы ясн и ть, к а к за в и с я т св о й ств а о кс и д о в от их строения; > усвоить хи м и че ски е св о й ств а о сн ов н ы х и кисл от ных о кси д о в ; 50

> >

понять, что та ко е р е а кц и я о бм ена; вы яснить сф еры пр им е н е н ия о кси д о в .

Свойства оксидов, как и других веществ, зависят от их внутреннего строения, т. е. от того, из каких частиц они состоят — атомов, молекул или ионов. Ф изические свойства оксидов. В ионных оксидах (рис. 15, а) противоположно заряжен ные ионы сильно притягиваются друг к другу. Поэтому такие оксиды при обычных условиях являются твердыми веществами, плавятся при высокой температуре (табл. 3). Большин ство ионных оксидов не растворяются в воде, а остальные реагируют с ней.

Рис. 15. Модели строения: а — магний оксида; б — карбон(1\/) оксида

в твердом состоянии

В оксидах молекулярного строения (рис. 15, б) притяжение между частицами (м олекула ми) очень слабое. Поэтому температуры плав ления (табл. 3) и кипения соединений невысо ки, а их агрегатные состояния при обычных условиях различны. Немало таких оксидов летучи, растворимы в воде (во время растворе ния многих из них происходят химические реакции), некоторые имеют запах. Оксиды атомного строения — твердые веще ства с высокими температурами плавления (табл. 3) и кипения. Они не растворяются в воде. Химические свойства оксидов. Способность оксида взаимодействовать с другими веще51

Таблица 3 Строение и температуры плавления некоторых оксидов

Хим ическа я формула СаО 1л20

н2о БОг 810 2

Строение оксида

Температура плавления, °С

ионное молекулярное атомное

2630

1453 0 -75

1610

ствами зависит от его типа. Рассмотрим отдельно реакции, в которые вступают оснбвные и кислотные оксиды. Вы уже знаете, что основными называют оксиды, которые соот ветствуют основаниям, а кислотными — те, что соответствуют кислотам.

Р е а к ц и и с у ч асти ем о сн о в н ы х о кси д о в

Рис. 16. (ашение извести

Реакция с водой. Строители, садоводы неред ко смешивают негашеную известь (кальций оксид) с водой. При этом происходит химиче ская реакция и образуется гашеная известь — кальций гидроксид Са(ОН)2- Процесс называют гашением извести (рис. 16): СаО + Н20 = Са(ОН)2. Среди основных оксидов в аналогичную реакцию вступают только соединения щелоч ных (Ы , Ыа, К , КЬ, Се) и щелочноземельных (М§г, Са, Бг, Ва) элементов. Реакции оксидов с водой относят к реакци ям соединения. Вывести формулу продукта реакции оксида с водой можно следующим образом. Сначала нужно сложить вместе все атомы, имеющиеся в формулах реагентов, и разместить их в опре деленном порядке. Первым записывают сим вол металлического элемента, затем — симво лы Оксигена и Гидрогена. Если все индексы в

составленной формуле окажутся четными, их нужно разделить на 2. Эту «дв ой ку» ставим как коэффициент в химическом уравнении: 1л20 + Н 20 = [Ы -АгНг]1= 2ЬЮН. ли ти й гидроксид

При наличии возле атомов Оксигена и Гидрогена одинакового индекса его выносят за скобки: ВаО + Н 20 = [В а02Н 2] = Ва(ОН)2. Это интересно

Оксиды СаО и Р 2Об используют для осушки газов.

барий гидроксид

Ф орм улу основания можно также записать, исходя из того, что заряд иона металлического элемента в нем такой же, как и в оксиде: Ва2+, ОН => Ва(ОН)2. ► Составьте уравнение реакции натрий окси да с водой. Реакции с кислотными оксидами. Основные оксиды реагируют с соединениями противопо лож ного химического характера, т. е. имею щ ими кислотны е свойства. Среди них — кислотные оксиды. П родуктом реакции меж ду основным и кислотным оксидами является соответствую щая соль. Она состоит из катионов м еталли ческого элем ента, которые содерж ались в основном оксиде, и анионов остатка кислоты, которая происходит от кислотного оксида. В ф ормуле со ли , как вам известно, сначала записывают катион, а затем — анион. Примеры уравнений реакций с участием основного и кислотного оксидов: CaO + S03 = CaS04; (содерж ит (соответствует катионы Са21) кислоте H 2S 0 4)

L izO

(содерж ит катионы L i+)

N 2Os (соответствует кислоте H N 0 3)

(содерж ит ионы Са2 1 и SO2 )

2 L iN 0 3. (содерж ит ионы L i ’ и NO g)

1 В сп ом ога тельн ы е зап и си п о м ещ а ю т в квадратны е скобки .

► Составьте уравнение реакции оксида с нитроген(У) оксидом.

кальций

Реакции с кислотами. Основные оксиды взаимодействуют не только с кислотными оксидами, но и с кислотами. Продуктами такой реакции являются соль и вода: СаО + Н 28 0 4 = СаЭ04 + Н 20 ; кальц ий сульф ат

Ы 20 + 2Н1МОч= 2Ы1МОч + Н 20 . ли ти и нитрат

Р е а к ц и и , в к о т о р ы х с о е д и н е н и я о б м е н и в а ю т с я св о и м и составн ы м и ч а стям и , н а зы в а ю т р е а к ц и я м и обм ен а . ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ № 1 Реакция купрум(И) оксида с хлоридной кислотой Поместите в пробирку немного порошка купрум(П ) оксида. Какого цвета это вещество? Добавьте к нему 1— 2 мл хлоридной кислоты. Что наблюдаете? (Содержимое пробирки можно нагреть, но не до кипения.) Составьте соответствующее химическое уравнение.

Р е а к ц и и с у ч а с ти е м ки с л о тн ы х о к с и д о в Реакция с водой. Почти все кислотные окси ды реагируют с водой (исклю чение — оксид 8Ю2). П ри этом образуются оксигенсодержащие кислоты:

вОз + н2о = н2во4. сульфатная кислота

Ф ор м улы кислот — продуктов реакций кислотных оксидов с водой — выводят так же, 54

как и оснований, складывая вместе все атомы, имеющиеся в формулах реагентов. На первом месте в формуле кислоты записывают атомы Гидрогена, на втором — атомы кислотообра зующего элемента, а на последнем — атомы Оксигена: И 20 5 + Н20 = [Н 2К 2Ое] = 2Н1ЧЮ3. нитратная кислота

Рис. 17. Реакция фосфор (V) оксида с водой

Учи теля часто демонстрируют учени кам, как взаимодействует с водой фосф ор(У) оксид. Во время этой реакции выделяется столько теплоты, что часть воды быстро испаряется (рис. 17). Если количество воды намного превышает ко личество оксида, то реакция происходит в соответствии с таким уравнением: Р 20 5 + ЗН20 = 2Н3Р 0 4. ортофосфатная кислота

Общее название продуктов взаимодей ствия основных и кислотных оксидов с водой-гидрат ы ок си д ов, или, сокращенно, ги д р ок сиды . Заметим, что гидроксильные группы (группы атомов ОН) содержатся в формулах не только оснований (ИаОН, Са(ОН)2 и др.), но и оксигенсодержащих кислот. Например, формулу Н 2в 0 4 можно записать так: 8 0 2(О Н )2. ► Напишите формулы гидроксидов, которым соответствуют оксиды К 20 и 8е02. Реакции с основными оксидами. Кислотные оксиды взаимодействуют с соединениями про тивоположного химического характера — с основными оксидами и основаниями. Реакции между кислотными и основными оксидами рассмотрены ранее. Приводим урав нение еще одной такой реакции с участием кислотного оксида Р 20 5: Р 2Об + ЗСаО = Са3(Р 0 4)2. кальций ортофосфат

Реакции с основаниями. Кислотные оксиды взаимодействуют с основаниями с образовани ем солей и воды: С 02 + 2КаОН = К а2СОэ + Н 20; натрий карбонат

Г*20 5 + Ва(ОН)2 = Ва(Ы03)2 + Н 20. барий нитрат

Соль происходит от кислоты, которая соот ветствует данному кислотному оксиду. Схема 1. Важнейшие химические свойства оксидов

► Составьте уравнение реакции между фосфор(У) оксидом и натрий гидроксидом. Изложенный материал обобщает схема 1. ОКСИДЫ

Основные оксиды реагируют

Кислотные оксиды реагируют

н 1г 1Г Ґ с кислотными " \ ( с кислотами ) 1 оксидам и у С с основаниями '

(■ щелочноземельных элементов)>)

Ґ с основными V

оксидами

N.________________ ✓

1' с водой

Реакции разложения оксидов. Н екоторы е оксиды в определенных условиях разлагаю тся на простые вещества

2НМО 4 2Н£ + 02Т; 2Н 20 ЭЛ=°К 2Н 2Г + 0 2Т или на другие оксиды и кислород:

2Б03 = 2Б02 + 0 2. Обратите внимание на последнюю реакцию: валентность элемента в оксиде, который обра зуется, ниже, чем в исходном оксиде. Реакции оксидов с простыми веществами. Немало оксидов металлических элементов взаи модействуют при высокой температуре с водоро дом, углеродом, активными металлами. Продук тами большинства этих химических превращ е ний являются металлы и другие оксиды: 56

СиО + Н2 = Си + Н20; 2Fe20 3 + ЗС = 4 F e + ЗСОгТ. Такие реакции используют в черной и цвет ной металлургии. Некоторые оксиды реагируют с кислородом: 2NO + 02 - 2N02.

Рис. 18. Драгоценные камни

Применение оксидов. Известно почти триста оксидов. Многие из них применяют на практи ке. Из железных руд (они содержат оксиды Фер ру ма) получают железо. Кварц Si02— сырье для производства кварцевого стекла, которое, в отличие от обычного, пропускает ультрафиоле товые лучи (под кварцевой лампой можно заго рать, как и на солнце). Песок, состоящий в основном из оксида SiOa, используют в произ водстве стекла, а также в строительстве, как и негашеную известь СаО. Кристаллы корунда А12Оэимеют высокую твердость. Порошок этого соединения служит абразивным материалом для обработки поверхности изделий из метал лов, керамики. Окрашенные примесями кри сталлы оксидов Алюминия, Силиция использу ют в ювелирном производстве. Кристаллы режут и, придав им огранку (рис. 18), вставляют в украшения1. Некоторые оксиды являются основой красок: Fe20 3 — коричневой, Сг2Оэ — зеленой, ТЮ 2 или ZnO — белой.

1 Состав к р и ста лло в : руби н — А12Оа с п ри м есью С г20 3; сапфир — А120 3 с прим есью оксидов Ф е р р у м а и Т и тан а ; ам етист — вЮ 2 с примесями оксидов Ф ер р ум а .

выводы Оксиды ионного строения — твердые веще ства. Они, как правило, не растворяются в воде, имеют высокие температуры плавления. Оксиды молекулярного строения существуют в различных агрегатных состояниях, имеют невысокие температуры плавления и кипения. Большинство этих соединений растворяется в воде, некоторые летучи, имеют запах. Среди основных оксидов с водой реагируют только оксиды щелочных и щелочноземельных элементов. Продукты этих реакций — основания. Оснбвные оксиды взаимодействуют с кислотны ми оксидами и кислотами с образованием солей. Почти все кислотные оксиды реагируют с водой (продукты реакций — оксигенсодержащие кислоты), а также с основными оксидами и основаниями с образованием солей. Реакции, при которых соединения обменива ются своими составными частями, называют реакциями обмена. Многие оксиды применяют на практике.

8 0 . Один и з о к с и д о в — С120 или Ы20 — в о б ы ч н ы х усл о ви ях является га з о м и и м ее т за п а х . Н а зо в и те это с о е д и н е н и е и о б ъ я сн и те св о й вы б о р . 8 1 . Среди п р и в е д е н н ы х о к с и д о в у к а ж и т е и о н н ы е в е щ е ств а : Р20 3, С120 7, К 20 , ВаО, БОз. 8 2 . В несите в с о о тв е тств ую щ и е кл е тки та б ли цы ф ормулы о кс и д о в : Ы20 , Си2ОрС120 7, 1\/^0, БЮ з, РеО, 8 0 2. О ксиды оснбвны е

ки сл о тн ы е

8 3 . Н а зо в и те все о с н б в н ы е о кси д ы , ко то р ы е р е а ги р ую т с водой. Н апиш ите д в а со о тв е тств ую щ и х х и м и ч е с ки х у р а в н е н и я в о бщ ем виде, о б о з н а ч и в м е та л л и ч е ски й э л ем е н т б у кв о й М. 58

8 4 . Д опиш ите схем ы р е а кц и й и со ставьте х и м и ч е с ки е ур а в н е н и я : а) БгО + Н20 —» б) БеОз + Н20 —> М ^О +■ С120 7 —> ЗЮ 2 + ВаО —> СаО + НГ\103 -> 120 5 + N8014 -> 8 5 . О пределите, с к а к и м и в е щ е ств а м и из п р а в о го стол бц а м о ж е т р е а ги р о в а ть ка ж д о е в е щ е ств о и з л е в о го столбца, и на пи ш ите со отве тствую щ ие х и м и ч е с ки е у р а в н е н и я : б арий о кс и д нитратная кислота фосфор(\/) о кс и д ка л ий гид р о ксид карбон(1\/) о кс и д ка л ьц и й о кси д б ро м ид н ая кислота 8 6. Составьте ур а в н е н и я р е а кц и й , при ко то р ы х о бр а зуе тся м а гн и й ортофосфат, если р е а ге н та м и явл яю тся: а) д ва о кси д а ; б) о кс и д и кисл о та; в) о кс и д и о с н о в а н и е . 87. Н апиш ите уравнения р е а кц и й , с пом ощ ью которы х м о ж н о осущ ест вить та ки е превращ ения: а) и —> и 20 —> УОН; в) Б —» Б 0 2 —> На25 0 3; б) МЕ - * 1\/^0 -> 1\^(ЫОз)2; г) С -> С 0 2 В аС 03. 8 8. В ы числите м а с с о в ы е доли эл е м е н то в в о кси д а х с ф орм улам и и В20 3. 8 9. В ы ясните, к а к и е д ва о кс и д а им ею т м ол яр н ую м а ссу 3 0 г/м о л ь . ґ ДЛЯ . ЛЮБОЗНАТЕЛЬНЫХ

К исл отны е о са д ки В га з о в ы х в ы б р о сах пром ы ш л ен н ы х пр ед приятий, те п л о э л е ктр о станций, а в том о б и л ьн ы х д в и га те л е й со д ер ж а тся небольш ие ко л и чества о кс и д о в Сульфура и Н итр о ге н а. Попадая в атмосферу, они нере д ко в ы з ы в а ю т т а к н а зы в а е м ы е ки сл о тн ы е о сад ки, ко то р ы е наносят зн а чи те л ьн ы й ущ ерб о кр у ж а ю щ е й среде. В результате р е а кц и и о кси д а Б 0 2 с атм осф ерной вл агой о б р а зу ется сульфитная кислота: 8 0 2 + Н 20 = Н23 0 3. Часть ее в за и м о д е й ств уе т с кисл о ро д о м и п р евр ащ ае тся в суль фатную кислоту:

2Н2503 + 02 = 2Н2504. Оксиды Н итрогена появляю тся в атмосфере вследствие реа кц ий с участием главны х ко м п о н е н то в воздуха — азота и кислорода. С гора ние топлива и го р ю че го со провож дается вы со ко й тем пературой. В этих условиях образуется небольш ое кол ичество нитроген(П) оксида:

V 59

Ы2 + 0 2 = 2ИО. Это со ед и н е н и е б ы стро в за и м о д е й ств уе т с кисл ород ом 2ГЧО + 0 2 = 2 М 02, а нитроген(1\/) о кс и д р е а гир уе т с атм осф ерной вл агой :

2 И0 2+ н2о = ныо2+ нио3. Так в воздухе появляю тся пр им е си ки сл о т — сульф итной, суль фатной, нитритной и нитратной. Вместе с д о ж де м или сн е го м они вы па д а ю т на зе м н ую п о ве р хн ость (рис. 19).

Рис. 19. Образование кислотного дождя

Н2Б03, Н2Б04. НЫ03 (НЫ02)

Кисл отны е о сад ки н е га ти в н о влияю т на растения, в ы зы в а ю т б ол е зн и у ж и в о тн ы х, лю дей, разруш аю т строител ьны е м атериалы , о со б е н н о м р а м о р и и зв е с тн я к, усил ива ю т ко р р о з и ю металлов. О ксиды Сульфура и Н итр о ге н а п р и н и м а ю т участие в о б р а з о в а нии с м о га . Это — воздух, з а гр я з н е н н ы й м н о ги м и то кс и ч н ы м и ве щ е ствам и, ко тор ы й надолго за в и с а е т над больш им и го р од а м и и п р ом ы ш л енны м и р е ги о н а м и . М еры , н а п р а в л е н н ы е на ум е н ь ш е н и е в ы б р о с о в упо м ян уты х о кси д о в , являю тся о д ни м и и з в а ж н е й ш и х в деле охраны природы . В с о в р е м е н н о й т е п л о э н е р ге т и к е п р е д п о ч и та ю т и с п о л ь з о в а т ь т о п л и в о , с о д е р ж а щ е е к а к м о ж н о м е н ь ш е Сульф ура. Га зо в ы е вы бросы пром ы ш л енны х предприятий, те пл о эл е ктро ста н ц и й о чи щ аю т от сульфур(1\/) о кси д а п р о п уска н и е м их ч е р е з водную сусп е н з и ю ка л ьц и й гид р о кси д а, распы л яю т в них п о р о ш о к мела, изве сть. О б р а зо в а н и е о кс и д о в Н итр о ге н а предотвращ аю т, п о н и ж а я т е м п е ратуру с ж и га н и я то пл и ва или го р ю че го . Среди в а ж н е й ш и х мер, п р е д п р и н и м а е м ы х на тр ан спо р те, — и зм е н е н и е ко н стр укц и й д в и гателей, р е ж и м о в их работы , в в е д е н и е р азл и чн ы х д о б а в о к к го р ю чему, за м е н а е го на д р уго е (н а п р и м е р , на с ж и ж е н н ы й природ ны й га з или этиловы й спирт).

Расчеты по хим ическим уравнениям Материал параграфа поможет вам: >

вы числять ко л и честв а вещ ества, м ассы и о б ъ е мы р е а ге н то в и пр од укто в р е а кц и й по хи м и че с ки м ур а в н е н и я м ; > со ставл ять п р о п о р ц и и и и спо л ьзов а ть их для реш ения зад ач.

В средние века алхимики не знали, что с помощью вычислений можно определить, какая масса вещества должна вступить в реак цию или образоваться в результате реакции. Они брали для экспериментов произвольные порции веществ и по их остаткам выясняли, какая масса каждого вещества прореагировала. В настоящее время расчеты не только масс, но и количеств вещества реагентов и продук тов реакций, объемов газов осуществляют по химическим уравнениям. При этом использу ют значения относительных атомных, м оле кулярных, формульных или молярных масс. Благодаря таким расчетам химик или инже нер-технолог может целенаправленно осу щ ествлять химические превращения, п о лу чать продукты реакций в необходимом коли честве, избегая избытка исходных веществ. В этом параграфе рассмотрены решения не скольких задач с использованием химических уравнений. Напомним, что коэффициенты в уравнениях указывают на соотношение коли честв вещества реагентов и продуктов реакций: С + 0 2 = С02; 1 м оль

1 м оль 1 м оль

л(С ) : п (0 2) : /г(СЮ2) = 1 : 1 : 1 ; 2А1 + ЗН2Б04 = А12(8 0 4)3 + ЗН2Т; 2 м оль

3 м оль

1 м оль

3 моль

л(А 1) : п (Н 2Б 04) : п(А12(Б 04)з) : п (Н 2) = 2 : 3 : 1 : 3. 61

ЗАДАЧА 1. Какое количество вещества литий гидроксида образуется

в результате реакции 4 м оль литий оксида с достаточным количеством воды? Дано:

Решение

л(1л20 ) = 4 моль

1. Составляем химическое уравнение: Ы гО + Н гО = 2ЬЮН. 2. Готовим запись для составления пропор ции. Под формулами соединений 1л20 и ЫОН записываем их количества вещества согласно коэффициентам в химическом уравнении (1 моль, 2 моль), а над формула ми — приведенное в условии задачи коли чество вещества оксида (4 м оль) и неиз вестное количество вещества гидроксида (я: моль):

n(LiOH) — ?

4 м оль

х м оль

1л20 + Н 20 = 2ЫОН. 1 м оль

2 м оль

3. Рассчитываем количество вещества литий гидроксида. Составляем пропорцию и решаем ее: по уравнению реакции из 1 моль 1л20 образуется 2 моль 1лОН, по условию задачи из 4 моль Ы 20 — х моль 1лОН; — =

;

х = п(ЫОН) = —у — “ 8 (м оль).

Ответ: п (иоН ) = 8 моль. ЗАДАЧА 2. Какая масса углекислого газа прореагирует с 28 г кальций

оксида? Дано:

Решение

т(С а О ) — 28 г

1-й способ 1. Составляем химическое уравнение: СаО + С 02 = СаСОэ. Согласно уравнению, в реакцию вступают одинаковые количества вещества оксидов, например 1 моль СаО и 1 моль С 02. 2. Определяем молярны е массы веществ, указанных в условии задачи:

т (С 0 2) — ?

М (С аО ) = 56 г/моль; М ( С 0 2) = 44 г/моль. Масса 1 моль СаО равна 56 г, а 1 моль С02— 44 г. 3. Записываем подформулами реагентов в химиче ском уравнении массы 1 моль каждого соедине ния, а над формулами — известную из условия задачи массу кальций оксида и неизвестную массу углекислого газа: 28 г

х г

СаО + С 02 = СаСОэ. 56 г

44 г

4. Вычисляем массу углекислого газа. Составляем пропорцию и решаем ее: по уравнению реакции 56 г СаО реагируют с 44 г С02, по условию задачи 28 г СаО — х г СОа; ? й . 44 56 44 х = т (С 0 2) = = 22 (г). 28 х ’ V 2' 56 2-й способ 1. Составляем химическое уравнение: СаО + СОа = СаС03. 2. Рассчитываем количество вещества кальций оксида: т(С а О ) _ 28 г 0,5 моль. п(СаО) = М (СаО) 56 г/моль 3. Записываем под формулами реагентов в химиче ском уравнении их количества вещества согласно коэффициентам, а над формулами — вычислен ное количество вещества кальций оксида и не известное количество вещества углекислого газа: 0,5 м оль

х м оль

СаО + С02 == СаСОэ. 1 м оль

1 м оль

4. Вычисляем количество вещества углеки слого газа: 0,5* 1 х = п(С 02) = = 0,5 (моль). 5. Находим массу углекислого газа: т (С 0 2) = л(С 02) • М (С О г) = = 0,5 моль - 44 г/моль = 22 г. Ответ: т ( С 0 2) = 2 2 г. 63

ЗАДАЧА 3. Какой объем сернистого газа (н. у.) прореагирует с натрий

гидроксидом с образованием натрий сульфита количе ством вещества 0,2 моль?

Дано: п{ N a2S 0 3) = — 0,2 моль н. у.

F(S02) — ?

Решение

1. Записываем химическое уравнение и готовим запись для составления пропорции: х м о ль

0,2 м оль

Б02 + 2КаОН = К а2БОз + Н 20. 1 м о ль 1 м оль 2. Находим количество вещества сернистого газа. Составляем пропорцию и решаем ее: из 1 моль 8 0 2образуется 1 моль Ка2803, из х моль 8 0 2 — 0,2 моль К а28 0 3; х = л (8 0 2) =

0,2 (моль).

3. Вычисляем объем сернистого газа при нор мальных условиях: К(802) = п (802) - К м = - 0,2 моль - 22,4 л/моль = 4,48 л. Ответ: V(S02) = 4,48 л.

В некоторы х задачах речь идет о двух одновременно протекающих реакциях. Спо соб их решения заключается в составлении математического уравнения с одним неиз вестным (и л и системы двух уравнений с двумя неизвестными). ЗАДАЧА 4. После добавления достаточного количества воды к 11,6 г

смеси оксидов Лития и Кальция образовалось 17,0 г смеси гидроксидов. Найти массы оксидов в смеси.

Дано: т ( L i20, CaO) = 11,6 г m(LiOH, Са(ОН)2) = = 17,0 г

m (LizO) — ? m(CaO) — ? 64

Решение

1. Принимаем массу литий оксида за х г. Тогда масса кальций оксида будет равна (в грам мах): т(С аО ) = /п(L iaO, CaO) —m (Li20 ) = 11,6 —х. 2. Вычисляем молярные массы оксидов и гидроксидов Лития и Кальция: М (1 л20 ) = 30 г/моль; М (СаО) = 56 г/моль;

iV f(LiO H ) = 24 г/моль; M (C a (O H )2) = 74 г/моль. 3. Составляем уравнения реакций с записями масс реагентов и продуктов, обозначив неиз вестные массы соединений LiO H и С а(О Н )2 через /П) и т 2соответственно: х г

тхг

1л20 + Н 20 = 2ЫОН; 30 г 2•24 г ( 1 1 , 6 —je) г

т2 г

СаО + Н 20 = Са(ОН)2. 56 г

74 г

4. Записываем две пропорции и получаем мате матические выражения для масс гидроксидов: - 1= - ( b i O H ) = ^ x = lj6x; 11,6 —X 56

ТПо ~74;

т2 = /л(Са(ОН)2) =

- 15,3 - 1,32*. ob 5. Приравниваем сумму найденных масс гидрок сидов к 17,0 г, решаем уравнение и находим массы оксидов: т х + т 2 = m (LiOH) + m(Ca(OH)2) = 17,0; 1,6* + 1 5 ,3 - 1,32л: = 17,0; * = щ(1л20 ) = 6,07 (г); m(CaO) = 11,6 - 6,07 = 5,53 (г). Ответ: m(Li20) = 6,07 г, т { СаО) = 5,53 г.

ВЫВОДЫ

Для того чтобы вычислять массы, количества вещества реагентов и продуктов реакций, объе мы газов, используют химические уравнения. Решение задач осуществляют составлением пропорций, а также по формулам, которые отоб ражают связь между соответствующими физи ческими величинами. 3 Химия, 8 кл.

9■ 9 0 . Н айдите з н а ч е н и я х в т а к и х з а п и с я х (устно): хл 1 моль х моль 0,2 моль хл в) С 0 2 + 2КО Н = К 2СОз + Н 20 ; а) БОз + 1_і20 — І_і25 0 4; 22,4 44,8 л

4 моль х моль

Б 0 2 + ВаО = В а 5 0 3. 22,4 л 153 г К а к о е ко л и ч е с тв о в е щ е ств а фосфор(У) о кс и д а о б р а зуе тся при в за и м о д е й с т в и и 0,1 м ол ь ф осф ора с д о ста то чн ы м ко л и ч е с тв о м ки с л о р о д а ? Р е а кц и я п р о и схо д и т по у р а в н е н и ю А + З Б = 2 В + 3 Г. К а к и е ко л и че ства в е щ е ств а В и Г о б р а зую тся , если п р о р е а ги р уе т: а) 0 ,1 м оль А; б) 6 м оль Б? (Устно.) К а к а я м а с с а м а гн и й о кс и д а о б р а з о в а л а с ь по сл е с ж и га н и я 1 2 г м а гн и я ? (Устно.) Вычислите м ассу ка л ь ц и й нитрата, ко то р ы й о б р а зо в а л ся в резул ь тате в за и м о д е й ств и я 2 5 ,2 г нитратной кислоты с ка л ьц и й о кси д о м . К а к о й о бъ е м с е р н и с то го га з а Б 0 2 (н. у.) был получен по сл е с ж и г а ния 1 6 г се р ы ? (Устно.) Вычислите объем угл е кисл о го га за (н. у.), которы й необходим для полного превращ ения 3 7 г ка л ьц и й гид роксид а в ка л ьци й карбонат. П осле д о б а в л е н и я и з б ы т к а воды к см е си о к с и д о в Ф о сф о р а(У ) и Силиция(1У) о б р а з о в а л о с ь 9 8 г ортоф осф атной ки сл о ты и оста л о сь 2 0 г т в е р д о го в е щ е с тв а . В ы числ ите м а с с у ф осф ор(У) о кс и д а и е го м а с с о в у ю д олю в см е с и . В результате р е а кц и и 1 ,5 2 г см е си с е р н и с т о го и у гл е ки с л о го га з о в с б а р и й о кс и д о м о б р а з о в а л о с ь 6 ,0 7 г с м е с и сол ей Б ар ия. О пределите м ассы га з о в в см е си . б)

91.

92.

93. 94. 95. 96. 97.

98.

1 ^ 0 + 2НС1 = MgCI 2 + Н 20 ;

л 2 моль хг

г)

С войства и п р и м ен ен и е оснований Материал параграфа поможет вам: > в ы ясн и ть ф и зи ч е с ки е св о й с тв а о сн о в а н и й ; > р а зл и ча ть н е р а ств о р и м ы е о с н о в а н и я и щелочи;

> вы ясн ить, что т а ко е ин д ика то ры ; > усв о и ть х и м и ч е с ки е с в о й ств а о сн о в а н и й ; > в ы ясн и ть сф еры п р и м е н е н и я о с н о в а н и й .

Физические свойства оснований. Вам извест но, что каждое основание состоит из положи тельно заряженных ионов металлического элемента и отрицательно заряженных гидроксид-ионов ОН . Основания, как и ионные окси ды, в обычных условиях являются твердыми веществами. Они должны иметь высокие тем пературы плавления. Но при умеренном нагре вании почти все основания разлагаются (на соответствующий оксид и воду). Расплавить удается только гидроксиды Натрия и Калия (температуры плавления соединений состав ляют соответственно 322 и 405 °С). Большинство оснований не растворяются в воде (рис. 20). Малорастворимыми являются гидроксиды М £ (О Н )2, С а(О Н )2 и Б г(О Н )2, а хорошо растворимыми — основания, образо ванные щ елочными элементами (1Л, N8, К , КЬ, Сэ), и соединение Ва(ОН)2. Рис. 20. Осадки оснований, образовавшиеся в результате химических реакций в растворах

В одорастворим ы е осн ов ан и я н а зы ва ю т щ е л о ч а м и \ Сведения о растворимости оснований в воде можно найти в таблице, размещенной на фор-1 1 К щ ело ч а м часто о тн о ся т соед и н ен и я С а (О Н )2 и 8 г (О Н )2.

заце 2 учебника. Ее называют т аблицей раст воримост и. Приводим соответствующий фрагмент этой таблицы: Растворимость некоторых оснований в воде при температуре 20— 25 °С Катионы Анион N8''’ ОН-

Рис. 21. П редостереж ение на э ти ке тке б а н ки с натрий гид р о ксид ом

К+ Р

А£+ —

м ^ 2+ Са2+ Ва2+ тч Ре 2+ м

« т-2+ N1 н

Буквой «р » обозначены растворимые основа ния (щелочи), «м » — малорастворимые, «н » — нерастворимые. Прочерк « — » означает, что такого основания не существует. Щ елочи и их растворы мы лки на ощупь, разъедают многие материалы, вызывают серьезные ожоги кожи, слизистых оболочек, сильно поражают глаза (рис. 21). Поэтому нат рий гидроксид в прошлом получил название «едкий н атр», а калий гидроксид — «едкое кали ». Работая со щ елочами и их растворами, будьте особенно осторожны. Если раствор щелочи попал на руку, немедленно смойте его большим количеством проточной воды и обра титесь за помощью к учителю или лаборанту. Вы получите у них разбавленный раствор определенного вещества (например, уксусной кислоты ), которым нужно обработать кож у для удаления остатков щелочи. П осле этого руку тщательно промойте водой. Химические свойства оснований. Возмож ность протекания многих реакций с участием оснований зависит от растворимости этих со единений в воде. Щ елочи в химических превра щениях значительно более активны, чем нера створимые основания, которые, например, с солями и некоторыми кислотами не реагируют. Д е й ст в и е па и н ди кат оры . Растворы щ ело чей способны изменять окраску особых ве

Рис. 22. Полоски универсальной инд икаторной

бумаги

Лакмус

ществ — и н д и к а т о р о в 1. Эти вещества были обнаружены в некоторых плодах и цветах. В настоящее время использую т индикаторы, которые производят на химических заводах. Они более эффективны, чем природные, и лучш е сохраняются. К важнейшим индикаторам относятся лак м ус, фенолфталеин, м ет иловый оранжевый (сокращ енное название — м ет и л ор а н ж ), а также универсальный индикатор. Последний является смесью нескольких веществ. Эта смесь, в отличие от отдельных веществ-инди каторов, изменяет цвет не только в присут ствии щелочи, но и в зависимости от ее к оли чества в растворе. В химических лабораториях применяют водные растворы метилоранжа и лакмуса, водно-спиртовый раствор фенолфталеина. Очень удобна в использовании так называемая индикаторная бумага. Это — специальная бумага, пропитанная раствором индикатора, а затем высушенная и нарезанная маленькими полосками (рис. 22). Существует также инди каторная бумага, пропитанная раствором лак муса или фенолфталеина. Изменение окраски индикатора (рис. 23) является следствием его реакции со щелочью.

Фенолфталеин

Метилоранж

Универсальный индикатор

Рис. 23. Окраска индикаторов: а — в воде; б — в растворе щелочи 1 Т ерм и н п р ои сходи т от л а т и н с к о го сло в а т с И с о — ук азы в а ю , оп р е деляю .

Уравнения таких реакций не приводим, поскольку формулы индикаторов и продук тов их хим ических превращений довольно слож ные. Нерастворимые основания на индикаторы не действуют. ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ № 2 Действие раствора щелочи на индикаторы В пробирку с гранулой натрий гидроксида налейте воды (до половины объема пробирки) и, перемешивая стеклянной палочкой, растворите вещество. Прикоснитесь палочкой, смо ченной приготовленным раствором, к полоске универсальной индикаторной бумаги. Что наблюдаете? Распределите раствор щ елочи по трем пробиркам. В одну пробирку добавьте 1—2 капли раствора лакмуса, в другую — столько же раствора фенолфталеина, а в третью — раствора метилоранжа. Как изменяется окраска каждого индикатора? Пробирку с раствором щелочи и фенолфталеином сохраните для следующего опыта. Р еа к ц и и с к ислот н ы м и оксидам и. Раство римые и нерастворимые основания взаимодей ствуют с соединениями противоположного характера, т. е. имеющими кислотные свой ства. Среди этих соединений — кислотные оксиды. Соответствующие реакции были рас смотрены в предыдущем параграфе. Приводим дополнительные примеры: 2КОН + БОд = К 28 0 4 + Н 20; Са(ОН)2 + С 02= СаС03 + Н 20. Р е а к ц и и с к и сл о т а м и . При взаимодей ствии основания с кислотой вещества обмени ваются своими составными частями:

ЫаОН + НС1 = ИаС1 + НОН (и ли Н 20 ).

Это — реакция обмена. 70

Выяснить, осталась ли щелочь после добав ления определенной порции кислоты, можно, добавив к жидкости 1— 2 капли раствора фенолфталеина. Если малиновый цвет не появился, то щелочь полностью прореагирова ла с кислотой. Пример реакции нерастворимого основания с кислотой: М п(О Н )2 + 2НКЮ3 = М п (Ж )з )2 + 2Н20 . Реакц и ю м еж ду осн ован и ем и к и слотой н азы ваю т реакцией н ей т р а л и за ц и и . ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ № 3 Взаимодействие щелочи с кислотой в растворе В пробирку с раствором натрий гидроксида и фенолфталеи ном из опыта 2 добавляйте по каплям с помощью пипетки раствор сульфатной кислоты до тех пор, пока не исчезнет окрас ка индикатора. Содержимое пробирки периодически переме шивайте стеклянной палочкой или стряхиванием. Почему раствор обесцветился? Напишите соответствующее химическое уравнение. ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ № 4 Взаимодействие нерастворимого основания с раствором кислоты В пробирку с осадком к уп р ум (П ) гидроксида1 медленно добавляйте раствор сульфатной кислоты до полного растворе ния соединения. Как окрашивается жидкость? Составьте соответствующее химическое уравнение. Реакции нейтрализации часто используют для очистки сточных вод промышленных предприя тий от щелочей или кислот. Продукты таких реак ций — соли — более безопасны для окружаю

1 П р о би р к у с эти м в ещ еств ом вы п о л у ч и т е о т у ч и т е л я .

щей среды. Эффективной и экономически выгод ной является взаим ная нейтрализация щелоч ных и кислотных стоков различных производств.

Реакции щелочей с солям и. Это — реакции обмена. Они происходят в растворе, причем исходная соль долж на быть раст ворим ой, а новое основание или новая соль — нераствори мыми. Выясним возможность реакции между нат рий гидроксидом и манган(Н) нитратом: ИаОН + М п (Ш 3)2 -*• Воспользуемся таблицей растворимости (приводим ее фрагмент):

Катионы А нионы

1л+

Ка+

К+

...

г п 2+ М п2+

Р Ь 2+

ОН"

N03

...

Как видим, соль М п(Ы 03)2 растворяется в воде. Чтобы реакция произошла, исходные вещества — щелочь ИаОН и соль Мп(М 03)2 — должны обменяться своими ионами с образова нием нерастворимого соединения. По таблице определяем, что этим соединением является новое основание Мп(ОН)2, а новая соль Па]Ч03 растворяется в воде. Значит, реакция между натрий гидроксидом и манган(И) нитратом возможна: 2КаОН -I- М п (Ш 3)2 = М п(О Н )24' + 2НаИ03. ► Могут ли взаимодействовать барий гидрок сид и калий карбонат в растворе? В случае положительного ответа напишите соответ ствующее химическое уравнение. Т ер м и ч еск ое разлож ение. Почти все осно вания (кроме гидроксидов Натрия и К али я) при нагревании разлагаются на соответствую щий оксид и воду (водяной пар): 72

Ге(О Н )2= ГеО +

н2оТ.

ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ № 5 Разложение нерастворимого основания при нагревании Пробирку с осадком купрум(П) гидроксида1закрепите в пробиркодержателе. Содержимое пробирки осторожно нагрейте в пламени спиртовки, но не до кипения. Как изменяется цвет твердого вещества? Дайте необходимое объяснение. Напишите уравнение реакции термического разлож ения купрум(П) гидроксида. Взрослы м известна жидкость под названием «наш аты рны й спирт». Это — водны й р аство р газа ам м иака NН3; его используют как лечебное средство. В наш аты рном спирте содерж ится необы чное по св о е м у составу основание. Его формула — ИН4ОН, а химическое название — ам м они й гидроксид. Соединение образуется в результате реакции

NN3 + н 2о <± ИН4ОН, в которую вступает небольшая часть растворен ного аммиака, и одновременно разлагается на исходные вещества. На это указы вает знак <± в химическом уравнении. А м м оний гидроксид подобно щ елочам (ИаОН, КОН и др.) изм еняет окраску индикаторов, взаи модействует с кислотными оксидами, кислота ми, солями:

2ЫН4ОН + С02 = (ИН^зСОз + Н20 ; ам м оний карбонат

ЫН4ОН + НС1 = ИН4С1 + н 2о; а м м о н и й хлорид

2ИН4ОН + РЬ(ИОз)2 - РЬ(ОН)21 + 2Л/Н4А/03. а м м о н и й н и тр а т

Изложенный материал обобщен в схеме 2. 1 П р о би р к у с эти м вещ еством вы п о л у ч и т е от у ч и т е л я .

ОСНОВАНИЯ

Щелочи

Н ерастворим ы е о снования

действуют на индикаторы

( р е а ги р ую т)

разлагаются при нагревании

с солями (в растворах)

С хем а 2. Х им ические свойства о сн ований

( реагируют ) ^

с кислотами Ч ---- -------- Г с кислотными оксидами

3с

Применение оснований. Широкое примене ние среди оснований получили щелочи, преж де всего гидроксиды Кальция и Натрия. Вам известно, что вещество, называемое гашеной известью, является кальций гидрок сидом Са(ОН)2. Гашеную известь используют как связующий материал в строительстве. Ее смешивают с песком и водой. П олученную смесь наносят на кирпич, ш тукатурят ею стены. В результате реакций основания с угле кислым газом и силиций(1У) оксидом смесь затвердевает. Кальций гидроксид также при меняют в сахарной промышленности, сель ском хозяйстве, при изготовлении зубных паст, получении многих важных веществ. Натрий гидроксид используют при произ водстве мыла (осуществляют реакции щелочи с жирами), лекарств, в кожевенной промыш ленности, для очистки нефти и т. д.

выводы Основания — твердые вещества ионного стро ения. Большинство оснований не растворяется в воде. Водорастворимые основания называют щелочами. Щелочи изменяют окраску особых веществ — индикаторов. Основания взаимодействуют с кислотными оксидами и кислотами с образованием солей и 74

воды. Щелочи реагируют и с солями; продукты каждой реакции — другие основание и соль. Нерастворимые основания разлагаются при нагревании на соответствующие оксиды и воду. Реакцию между основанием и кислотой назы вают реакцией нейтрализации. На практике используют преимущественно гидроксиды Кальция и Натрия.

99.

О х а р а кте р и з у й те ф и з и ч е с к и е с в о й с т в а о с н о в а н и й . Что т а ко е щ елочь? 1 0 0 . К а к и е в е щ е с тв а н а з ы в а ю т и н д и ка то р а м и ? К а к и зм е н я е тс я их о к р а с к а в п р и с утств и и щ ел очи? 1 0 1 . П риве д ите п р и м е р ы р е а к ц и й о б м е н а , р а з л о ж е н и я , н е й тр а л и з а ц и и с уча стием о с н о в а н и й . 1 0 2 . Д о п и ш и те схе м ы р е а к ц и й и со став ьте х и м и ч е с ки е ур а в н е н и я : а) КОН + N 20 5 - » б ) M g(O H )2 + S 0 3 -> NaOH + H2S -> Са(О Н )2 + Н 3 РО 4 -> Ва(О Н )2 + K 2S 0 4 -> N i(0 H )2 + HNO 3 -» LiOH + NiCI 2 - » Bi(O H )3 Л 1 0 3 . Н а п иш ите у р а в н е н и я р е а к ц и й (если о н и в о з м о ж н ы ) м е ж д у о с н о в а н и я м и (в л е во м сто л б и ке ) и со л ям и (в п р а в о м сто л б и ке ): ка л и й ги д р о кс и д ка л ь ц и й ка р б о н а т манган(М ) ги д р о кс и д феррум(И) н итрат б а р и й ги д р о кс и д на трий сульфат 1 0 4 . С п о м о щ ь ю к а к и х р е а к ц и й м о ж н о о сущ е ств и ть п р е в р а щ е н и я , о б о з н а ч е н н ы е с тр е л ка м и : а) ü 20 —> LiOH —> L i 2S 0 4; б) Са(ОН )2 —* CaO —> C a B r2? Н а пиш ите со о тв е тств ую щ и е х и м и ч е с ки е у р а в н е н и я . 1 0 5 . К а к о е ко л и ч е с т в о в е щ е с тв а м а гн и й ги д р о кс и д а вступа ет в р е а к ц и ю с 12,6 г н и тр а тн о й ки сл о ты ? 1 0 6 . В ы числ ите м а ссу ф еррум(Н) ги д р о кс и д а , ко то р ы й о б р а зуе тся п р и в за и м о д е й с тв и и 0 ,0 5 м оль на трий ги д р о кс и д а с д о ста то ч ны м ко л и ч е с тв о м феррум(М) сульфата. 1 0 7 . К а к о й о бъ е м с е р н и с т о го га з а (н. у.) н е об хо д им для п о л н о го о с а ж д е н и я и о н о в Б ар ия (в с о с та в е н е р а с тв о р и м о й соли) и з р а с тв о р а , с о д е р ж а щ е го 3 4 ,2 г б а р и й ги д р о кс и д а ? 75

1 0 8 . К а к а я м асса о с а д ка о б р а зу е тс я в результате в за и м о д е й с тв и я 2 2 ,4 г ка л и й ги д р о кс и д а с д о ста то чн ы м ко л и ч е с тв о м м анган(П ) хлорида? 1 0 9 . На н е й т р а л и за ц и ю 2 5 ,1 г см е си ги д р о кс и д о в Н атрия и Б ар ия и з р а с х о д о в а н о 2 5 ,2 г н и тр а тн о й ки сл о ты . О пределите м а с с о вую д олю на трий ги д р о кс и д а в исхо д н ой см е си .

С войства и п р и м ен ен и е кислот Материал параграфа поможет вам: > в ы ясн и ть ф и зи ч е с ки е с в о й ств а кислот; > усв о и ть х и м и ч е ски е с в о й ств а кислот; > п р о гн о з и р о в а т ь в о з м о ж н о с т ь р е а кц и и кислоты с м еталлом ; > в ы ясн и ть сферы п р и м е н е н и я кислот.

Рис. 24. Растворение сульфатной кислоты в воде

Физические свойства кислот. М олеку лярное строение кислот обусловливает их физические свойства. М олекулы в кисло те притягиваются друг к другу слабо (в отличие от противоположно заряженных ионов в основном оксиде или основании). Поэтому кислоты имеют низкие темпера туры плавления, почти все в обычных условиях являю тся жидкостями. Они растворяются в воде (кроме кислоты H 2S i0 3), во многих случаях — неограни ченно, т. е. смешиваются с водой в лю бы х соотношениях с образованием растворов. При растворении некоторых кислот выделяется значительное количество теплоты (рис. 24). Вам известно, что безоксигеновые кислоты представляют собой водные растворы газов — соединений некоторых неметаллических элементов с Гидрогеном (например, HCl, H 2S). Эти газы выделяются из своих растворов даже в обычных условиях.

Летучей кислотой, т. е. такой, которая пере ходит в газообразное состояние при умеренном нагревании, является нитратная кислота Н1*Юз, а такж е несколько других. Летучие кислоты имеют запах. Ортофосфатная кислота Н 3РО.,, ортоборатная (борная) Н 3В 0 3, метасиликатная Н 28Ю3 — твердые вещества. Они, а также сульфатная кислота Н2в 0 4, нелетучи. Карбонатная и сульфитная кислоты существу ют лишь в водном растворе. Соответствующие им оксиды взаимодействуют с водой не полно стью, а кислоты, которые образуются, частично разлагаются на оксиды и воду: СО2 + Н20 Н2СОэ; 502 + Н20

Н2Б03.

Большинство кислот токсичны. Они вызы вают серьезные отравления, ожоги кожи. П о этому работать с кислотами надо очень осто рожно, соблюдая правила техники безопасно сти. При попадании раствора кислоты на руку следует сначала смыть его проточной водой, затем обработать кожу разбавленным раство ром соды (для удаления остатков кислоты) и хорошо промыть руку водой. Химические свойства кислот. Способность кислот реагировать с другими веществами в значительной мере зависит от их устойчивости, летучести, растворимости в воде. Это необхо димо учитывать, рассматривая химические свойства кислот. Д е й ст в и е на индикат оры . Кислоты в вод ных растворах изменяют окраску индикато ров (рис. 25), но не всех и не так, как щелочи. ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ № 6 Действие раствора кислоты на индикаторы В три пробирки налейте по 1— 2 м л раствора сульфатной кислоты. В любой из пробирок смочите стеклянную палочку 77

раствором кислоты и прикоснитесь ею к полоске универсаль ной индикаторной бумаги. Как изменяется цвет индикатора? В одну пробирку добавьте 1— 2 капли раствора лакмуса, в другую — столько же раствора фенолфталеина, а в третью — метилоранжа. Что наблюдаете? Каким индикатором нельзя обнаружить кислоту? Рис. 25. О кр аска ин д икаторов: а — в воде; б — в растворе кислоты

Лакмус

Метилоранж

Универсальный индикатор

Р е а к ц и и с м ет ал лам и. Большинство известных вам кислот реагируют с метал лами с выделением водорода и образова нием солей (рис. 26). Среди них — все безоксигеновые кислоты, сульфатная (в разбавленном растворе):

2А1 + 6НС1 = 2А1С13 + ЗН2Т ; Рис. 26. Р еакция а л ю м иниевой м онеты (2 ко п. в ы пуска 1 9 9 2 г.) с хлоридной кислотой

Zn + H 2S04 (разб.) = ZnS04 + H 2t . В этих реакциях атомы металлического элемента, которые содержатся в простом веществе, замещают атомы другого элемен та (Гидрогена) в сложном веществе.

Р еа к ц и ю м еж ду п р осты м и сло ж н ы м вещ ествам и , в р езульта те которой обр азую тся новы е простое и с л о ж н ое в ещ ест в а , н а з ы в а ю т р е а к ц и е й з а м е щ е н и я . С названными кислотами взаимодейству ют не все м еталлы . Возмож ность осущ ест вления реакции между металлом и кислотой можно определить, используя ряд а к т ивн о ст и м ет аллов. Его составил отечественный химик Н. Н. Бекетов на основании результа 78

тов изучения многих реакций м еталлов с кислотами и солям и. Приводим больш ую часть этого ряда в современном виде (см. так же форзац 2): 1л К Ва Са N8 Мд А1 Мп Сг Ъп Ре Сс1 N1 Бп РЬ (Н ) Си A g Аи -<--------------------------------------------------------------------------------химическая активность металлов возрастает

Формула неметалла водорода делит ряд на две части. М еталлы , размещенные в левой части ряда, взаимодействуют с названными выше кислотами (при этом выделяется водо род), а размещенные справа — не реагируют с ними (рис. 27): A g + НС1 -Ь Си + Н 2804(разб.) Рис. 27. Отношение металлов к разбавленном у раствору сульфатной кислоты

ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ № 7 Отношение меди, железа и магния к хлоридной кислоте Возьмите три пробирки. В первую пробирку поместите 2— 3 кусочка медной проволоки, во вторую — чистый железный гвоздь, а в третью — немного порошка или стружки магния. Изучите отношение каждого металла к разбавленной хлорид ной кислоте. В случае отсутствия взаимодействия (выделения газа) реакционную смесь нагрейте, но не до кипения. Какой металл реагирует с кислотой более активно? В какой пробирке реакция не происходит даже при нагревании? Согла суются ли результаты опыта с размещением меди, железа и магния в ряду активности металлов? Составьте уравнения реакций. Примите к сведению, что Феррум в образующемся соединении двухвалентен. 79

Н и ко л а й Н и ко л а е в и ч Б е ке то в (1 8 2 7 — 191 1 )

Выдающийся русский и украинский химик, академик Петербургской академии наук. Исследовал реакции солей с металлами и водо родом в водных растворах. Предложил выте снительный ряд, или ряд активности металлов (1865). Дал формулировку закона действующих масс, сходную с современной. Открыл и описал металлотермию — один из методов получения металлов. Проводил термохимические иссле дования. Содействовал становлению физиче ской химии — одной из важнейших химических наук. Работал профессором в Харьковском уни верситете (1855 — 1887), впервые читал курс лекций по физической химии как самостоятель ной научной дисциплине. Был президентом Рус ского физико-химического общества.

Рис. 2 8 . Р еакция меди с нитратной кислотой

Во время реакций нитратной, а также концентрированного раствора сульфатной кислоты 1 с металлами вместо водорода образуются другие вещества (рис. 28). Такие реакции будем рассматривать в 9 классе. Р е а к ц и и с о сн о в н ы м и о к си д а м и и о с н о в а н и я м и . Характерным свойством всех кислот является способность взаимо действовать с соединениями противопо лож ного типа — основными оксидами и основаниями. Продуктами каждой реак ции являются соль и вода. Эти химиче ские превращения были рассмотрены в предыдущих параграфах. Примеры соот ветствующих химических уравнений: 1л20 + 2НС1 = 21ЛС1 + Н 20; С а ( О Н ) 2 -I- 2 Н Ы О э = С а(Г«Ю з)2 + 2 Н 20 .

Р е а к ц и и с со л я м и . Реакции кислот с солями относят к реакциям обмена. Не

1 К о н ц е н тр и р о в а н н ы й р аств о р с о д е р ж и т з н а ч и т е л ь н о б о л ь ш е к и сло ты , чем воды.

все они возможны. Назовем случаи, когда эти реакции происходят (рис. 29). • Продукт реакции — соль или кислота — выпадает в осадок (это выясняем по таблице растворимости): ВаС12 + Н 28 0 4 = ВавОД + 2НС1; К а 28103 + 2ННОз = 2КаЫОз + Н гЗ Ю Д .

• Кислота-продукт является летучей, проис ходит от газообразного соединения или раз лагается с образованием газа: 2К Г ( т в . ) + Н 2Б 0 4 ( к о н ц . ) = К 2в 0 4 + 2 Н Г Т ; С а С 0 3 + 2 Н С 1 = С аС 1 2 + Н 2С О а.

н2о

со2Т

(Сокращение «т в .» означает «твердое веще ство», а «к о н ц .» — «концентрированный раствор».) • Кислота, которая вступает в реакцию, явля ется сильной, а кислота, которая образует ся, — слабой. Примерами могут служить три последние реакции.

Рис. 29. Реакции кислот с солями

Т ер м и ческ ое разлож ение оксигенсодерж ащ и х к и сл о т . Оксигенсодержащие кислоты при нагревании, а карбонатная и сульфитная — в обычных условиях, разлагаются с образова нием соответствующих кислотных оксидов и воды:

Н 28Ю3 = 8Ю 2 + Н 20 ;

Н28 0 3 <± во2Т+ н2о. 81

Одним из продуктов разложения сульфат ной кислоты при умеренном нагревании является сульф ур (У І) оксид, а при сильном нагревании этот оксид сам начинает разла гаться: Н 2Є 0 4 = БОдТ + Н 2О Т .

/ ч во2 о2 Реакция термического разложения нитрат ной кислоты имеет свою особенность. Это со единение разлагается на три вещества — нитроген(ІУ ) оксид, кислород и воду (оксид Ы20 5, соответствующий нитратной кислоте, весьма неустойчив): НЫ03 Ч (К 20 5) + н 2о . Ч Ч и о 2Т о 2Т

С хем а 3. Х и м и чески е сво йства кислот

► Составьте схему последней реакции, запи сав в ней конечные продукты, и превратите ее в химическое уравнение. Изложенный материал обобщен в схеме 3. КИ С Л О ТЫ

£ действуют на индикаторы

с металлами

,— —--------- . г разлагаются у реагируют ) | при нагревании (оксигенсодержащие) у

с основными оксидами

с основаниями

с солями

Применение кислот. Наибольшее примене ние получили сульфатная, хлоридная, нитрат ная и ортофосфатная кислоты (табл. 4). Их получают на химических заводах в большом количестве. Наверное, в каждой семье в домашнем хозяйстве есть уксус. Это — разбавленный водный раствор уксусной кислоты СН3СООН. 82

Таблица 4

Применение кислот Кислота Н2804 НС1 НІМОз НзРО*

Область применения Производство других кислот, солей, удобрений, красителей, лекарств, очистка нефтепродуктов Производство солей, красок, лекарств Производство удобрений, взрывчатых веществ, красителей Производство удобрений, моющих средств (Подготовьте рассказ о том, для чего исполь зую т у к с у с .) В быту, повседневной жизни применяются и другие кислоты. Лимонная кислота является пищевым продуктом и кон сервантом, аскорбиновая — витамином С. (Уксусная, лимонная и аскорбиновая кисло ты — органические соединения.) Раствор борной кислоты применяют как дезинфици рующее средство, а раствор сульфатной кислоты заливают в аккум уляторы автомо билей.

ВЫВОДЫ

Кислоты — молекулярные вещества, раство римые в воде. Они изменяют окраску индикато ров, но не так, как щелочи. Кислоты взаимодействуют с большинством металлов с выделением водорода и образованием солей. Такие реакции называют реакциями заме щения. Возможность их осуществления опреде ляют с помощью ряда активности металлов. Кислоты реагируют с основными оксидами и основаниями с образованием солей и воды, а также с солями (продукты реакции — другие кислота и соль). Оксигенсодержащие кислоты разлагаются при нагревании. Кислоты находят широкое применение в раз личных сферах. 83

9 1 1 0 . Н а зо в и те х а р а кте р н ы е ф и зи ч е с ки е с в о й с тв а кислот. Чем они 111.

112 .

113.

114.

115.

116.

117. 118.

119.

обусл овл ены ? М о ж н о ли разл ичи ть р аств о р ы кисл оты и щ елочи с по м о щ ью : а) л а км уса ; б) ф енолф талеина: в) у н и в е р с а л ь н о го и н д и ка то р а ? Если да, то к а к и м е н н о ? Д о п и ш и те схем ы р е а кц и й и со ставьте х и м и ч е с ки е ур а в н е н и я : a) M g + НВг —> б) Li20 + H 2S 0 4 —> BaO + НГМ03 - » Fe(OH )2 + H N 0 3 -> NaOH + H2S -> K 2S i0 3 + H 3P 0 4 - » В м есто т о ч е к н а пи ш и те ф ормулы ки сл о т-р е а ге н то в, пр од укто в р е а кц и й и п р е в р а ти те схем ы в х и м и ч е с ки е у р а в н е н и я : a) Fe ч -... —> FeCI2 -ь ... ; б) AI + ... —> AI2(S 0 4)3 + — ; L i20 + ... —> Li 3P 0 4 + ... ; Cr(OH )2 + ... —> C rS 0 4 + ... ; KOH + ... —x K N 0 3 + ... ; A g N 0 3 + ... —►Agi + . . . . Н а пиш ите у р а в н е н и я р е а кц и й (если о н и в о з м о ж н ы ) м еж д у р а з б а в л е н н о й сульф атной ки сл о то й и т а ки м и в е щ е ств а м и : а) ц и н к; г) б а р и й ги д р о кси д ; б) с е р е б р о ; д) ф торидная кисл ота; в) к а р б о н ( 1\/) о кси д ; е) плюмбум(И) нитрат. Для к а ж д о го пр е в р а щ е н и я н апиш ите по д в а х и м и ч е с ки х у р а в нения: а) HCI -» СаС12; б) H2S -> K 2S; в ) Н 3Р 0 4 —> Ва 3(Р 0 4)2. Чтобы о сущ ествить р е а к ц и ю м еж д у на трий хлоридом и сульф ат ной ки сл о той , к тв е р д о й соли д о б а в л я ю т чистую кисл оту и см есь н а гр ева ю т. О бъясните, по че м у не и сп о л ьзую т раство р ы этих со ед и н е н и й и для че го н е об хо д им о н а гр е в а н и е . К а ку ю м ассу сульф атной кислоты следует в зять для н е й тра л и з а ц и и 8 г натрий ги д р о кс и д а ? В р езул ьта те р е а к ц и и д о с та то ч н о го ко л и ч е с т в а хл о р и д н о й кисл оты с 10 г см еси п о р о ш ко в с е р е б р а и ц и н ка вы делилось 0 ,7 л водорода (н. у.). В ы числите м а ссо в ую долю се р е б р а в см еси. Во в р е м я р а зл о ж е н и я нитратной кисл оты вы делилось 1 1 ,2 л см еси га з о в (н. у.). О пределите м ассу кисл о ты , ко то р а я р а зл о ж ил а сь.

ЭКСПЕРИМЕНТИРУЕМ ДОМА

Природные индикаторы Приготовление раст воров о кр а ш е н н ы х веществ, которые с о д е р жатся в растениях Надеемся, что вы в н и м а те л ь н о прочитали пе р в ы е стр а н и ц ы учебника и в начале сентября насушили нем ного окраш енны х л епест ко в ц вето в и по н е с ко л ь ко р а зл и ч н ы х ягод. П риготовьте о твар ы к а ж д о го растения. Для этого в о зь м и те те р м остойкую сте кл я нн ую или э м а л и р о в а н н у ю посуду, пом естите в нее вы суш енны е л е п е с тки ц в е то в или ягод ы , д о б а в ьте н е бо л ьш о е кол ичество воды и п р о ки п я ти те см е сь в те че н и е н е с ко л ь ки х минут. После о хл аж д ения ка ж д ую ж и д ко с т ь отфильтруйте. П риготовьте т а кж е н е бо л ьш и е по р ц и и с о к о в с в е кл ы , те м н о го в иноград а, кр а с н о ко ч а н н о й ка пусты . В ч а ш ку за сы п ь те 1 / 3 ча й н о й л о ж ки ч е р н о го или зе л е н о го чая и залейте ки п я т ко м . После охл аж д е н ия раство р отф ильтруйте или слейте с ч а й н о го листа. Изучение действия различны х веществ на приготовленные растворы В три с та ка н а налейте по н е бо л ьш о й по р ц и и п р и го то в л е н н о го отвара или с о к а р астения. В о д ин ста ка н д о ба вьте н е м н о го р а с тв о ра ка л ь ц и н и р о в а н н о й (или п и тье в о й ) со д ы 1, в д ругой — р аств о р а уксусной кисл оты (сто л о в о го уксуса), а третий оставьте для с р а в н е ния. Вместо соды м о ж н о взять наш аты рны й спирт, а вм есто уксуса — раствор л и м о н н о й кисл оты или с о к л им он а . З апиш ите в та б л и цу ц в е т растител ьн ы х р а ств о р о в в ка ж д о м ста ка н е и вы во д ы о том , к а к и е и з них являю тся п р и р о д н ы м и и н д и ка торам и. Н а зв а н и е п р и го то в л е н н о го р аствора

О к р а с к а п р и го т о в л е н н о го р а ств о р а без в п р и сутств и и в пр исутствии уксусн о й п о стор о н соды (л и м о н н о й ) н е го (н а ш а ты р н о го в е щ е ства кисл оты сп и р та )

В ы вод

Отвар ... С ок ... Чай ...

_________________________________________________________ У

1В растворе соды обр а зуется н е б о льш о е к оли ч ест в о щ ело ч и .

О б наруж ение щ елочей и кислот в некоторых жидкостях И спользуя п р иро д н ы е и н д и ка то р ы , исследуйте р аство р ы сахара, соли, х о з я й с т в е н н о го м ы ла, с ти р а л ь н о го п о р о ш ка , а т а к ж е с ы в о ротку, сл а бо о кр а ш е н н ы е ф р укто вы е с о ки на на ли чие в них щ ело чей или кислот. Результаты э кс п е р и м е н та за н е си те в таблицу. И сследуемая Ж ИДКОСТЬ

О к р а с к а п р и р о д н о го и н д и ка то р а в ж и д ко с т и

-----

В ы вод о на ли чии щ елочи или кисл оты в ж и д ко с ти

—

~ У

Амф отерные оксиды и гидроксиды М а те р и а л п а р а гр а ф а п о м о ж е т в а м : в ы я с н и т ь х и м и ч е с к и й х а р а к т е р а м ф о те р н ы х о кс и д о в и ги д р о ксид ов; > составлять формулы пр од укто в р е а кц и й ам ф о терны х со ед инений с кисл о там и, о сн о в а н и я м и , о кси д а м и .

Некоторые оксиды и гидроксиды металли ческих элементов в зависимости от того, с какими веществами они реагируют, проявля ют основные или кислотные свойства. С п о со б н о ст ь с о е д и н е н и я п р о я в л я т ь о сн о в н ы е и к и с л о т н ы е св о й ств а н а з ы в а ю т а м ф от ер н ост п ы о1, а с а м о с о ед и н ен и е — а м ф о т е р н ы м . Приводим формулы важнейших амфотер ных соединений: 1 Термин происходит от греческого слова amphoteros — и другой. 86

то т

, и

гп (О Н )2 РЬ(ОН)2 8 п(ОН)2 оксиды гидроксиды А1(ОН)3 Сг2о'3 Сг(ОН)3 Ре(ОН)3 Ке20 3 По физическим свойствам амфотерные окси ды похожи на основные оксиды, а амфотерные гидроксиды — на нерастворимые основания. Амфотерные соединения взаимодействуют с кислотами и щелочами, с кислотными и основными оксидами. Рассмотрим эти хими ческие превращения подробнее. Цинк оксид реагирует с кислотой как основ ный оксид, а цинк гидроксид — как основание: гпО 4- 2НС1 = 7>пС12 4- Н 20; г п (о н )2 + 2НС1 = гпС12 + 2Н 2о . Продукт реакции (гпС12), в которой амфо терное соединение проявило основные свой ства, содержит катионы металлического элемента (Еп2+). Если вместо кислоты взять щелочь, то цинк оксид будет вести себя как кислотный оксид, а цинк гидроксид — как кислота. Уравнение реакции цинк гидроксида с нат рий гидроксидом: гп(О Н )2 4- 2ИаОН = Иа2г п 0 2 4- 2Н20. Д ля того чтобы формула образующейся соли была вам понятной, изменим порядок записи элементов в формуле цинк гидроксида на общепринятый для кислот: Н2г п 0 2 + 2ЫаОН = Ыа2г п 0 2 + 2НгО. ZnO РЬО БпО ^ 0

Это интересно

Амфотерные гидроксиды проявляют большую химическую активность, чем амфотерные оксиды.

натрий цинкат

Эта соль является продуктом аналогичной реакции с участием цинк оксида: Z n O 4- 2КаОН = Ыа2г п 0 2 4- Н20. В последних реакциях амфотерные соедине ния проявляют кислотные свойства, поэтому продукт каждой реакции (натрий цинкат И а^пО г) содержит металлический элемент в составе аниона ^ п 0 2 ). 87

ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ № 8 Реакции цинк гидроксида с сульфатной кислотой и натрий гидроксидом Предварительно получите небольшое количество цинк гидроксида. Д ля этого налейте в пробирку немного раствора цинк сульфата (и ли цинк хлорида) и добавьте несколько капель раствора натрий гидроксида. Что происходит? Какое вещество выпало в осадок? Напишите уравнение реакции. Тщ ательно перемешайте содержимое пробирки и вылейте приблизительно половину раствора с осадком в другую пробир ку. Добавьте к одной порции смеси, которая содержит цинк гидроксид, немного раствора сульфатной кислоты, а к другой — раствора натрий гидроксида. Что наблюдаете? Какие свойства проявил цинк гидроксид, прореагировав с кислотой, со щелочью? Если в реакции со щелочью принимает уча стие амфотерный оксид или гидроксид трехва лентного элемента, то возможны два варианта их взаимодействия. Рассмотрим реакции между алюминий оксидом и калий гидроксидом. Продуктом одной из реакций является соль, которая про исходит от алюминий гидроксида А1(ОН)3 как кислоты (Н 3АЮ 3). Формула соли — К 3АЮ 3: А12О э + 6КОН = 2К 3АЮ 3 4- ЗН20. (1) калий ортоалюминат Продукт другой реакции — соль более про стого состава. Выведем ее формулу, сначала выяснив формулу соответствующей «к и сло ты » (на самом деле — амфотерного соедине ния). Д л я этого слож им вместе все атомы в формулах алюминий оксида и воды и в полу ченной формуле уменьшим индексы вдвое: А120 3 ч ) [Н 2А120 4] ^ Н АЮ 2. н 2о / Теперь заменим в формуле кислоты символ Гидрогена на символ Калия: 88

н а ю 2 => к а ю 2. Соответствующее химическое уравнение: А120 3+ 2КОН = 2КАЮ 2+ Н 20. (2)

калий метаалюминат

Это интересно

Алюминаты Кальция являются составными частями цемента.

Сопоставив коэффициенты перед формула ми реагентов в уравнениях (1) и (2), увидим, что ортоалюминат образуется при добавлении к алюминий оксиду втрое большего количе ства щелочи. Такие же соли получаются в результате ана логичных реакций с участием алюминий гидроксида: А1(ОН)3 + ЗКОН = К 3АЮ 3 + ЗН20; А1(ОН)3 + КОН = КАЮ 2 + 2Н20. На рисунке 30 показан результат опыта, который подтверждает амфотерность хром(Ш ) гидроксида Сг(ОН)3.

Рис. 30. Результат взаимодействия хром (Ш )гид роксида: а — с хлоридной кислотой; 6 — с раствором натрий гидроксида

► Составьте уравнение реакций хр ом (Ш ) гидроксида с хлоридной кислотой и натрий гидроксидом. Амфотерные соединения взаимодействуют (большей частью, при нагревании) с основными и кислотными оксидами с образованием солей: А120 3 + ЗКа20 = 2Ка3АЮ 3; 2А1(ОН)3 + Иа20 = 2КаАЮ 2+ ЗН20; ZnO -+- 8Ю2= ЕпЄі03. При нагревании амфотерные гидроксиды, как и нерастворимые основания, разлагаются на соответствующие оксиды и воду: 89

гп (О Н )2 = ZnO + С хем а 4. Х и м и чески е св о йства ам ф отерны х соед инений

н2о.

► Напишите уравнение реакции термическо го разложения алюминий гидроксида. Изложенный материал обобщен в схеме 4.

ВЫВОДЫ

Некоторые оксиды и гидроксиды металличе ских элементов проявляют как основные, так и кислотные свойства. Их называют амфотерны ми соединениями. По физическим свойствам амфотерные окси ды похожи на основные оксиды, а амфотерные гидроксиды — на нерастворимые основания. Амфотерные соединения взаимодействуют с кислотами и щелочами, с кислотными и основ ными оксидами с образованием солей. Амфотер ные гидроксиды разлагаются при нагревании.

1 2 0 . К а к и е с о е д и н е н и я н а з ы в а ю т а м ф о те р н ы м и ? Н а з о в и т е не с к о л ь к о а м ф оте р н ы х о к с и д о в и ги д р о кс и д о в . 1 2 1 . Д о п и ш и те схем ы р е а к ц и й и со ста в ьте х и м и ч е с к и е ур а в н е н и я : а) Zn(O H )2 + H N 0 3 -> б) Fe(OH )3 + H 2S 0 4 -»

SnO + NaOH ->

А12О э + CaO

Pb(OH )2

Cr(OH )3 h

1 2 2 . К а к м о ж н о р а с п о зн а ть б ел ы е п о р о ш ки ги д р о кс и д о в М а гн и я и Ц ин ка, исп о л ьзуя р а зл и чи я в их х и м и ч е с ки х с в о й ств а х? 1 2 3 . А м ф о те р н ы й ги д р о к с и д и м е е т о т н о с и те л ь н у ю ф о р м ул ьн ую м ассу 1 0 3 . Что это за со е д и н е н и е ? 1 2 4 . К а ка я м асса ф еррум(Ш ) о кс и д а со д е р ж и т сто л ько и о н о в , с к о л ь к о м олекул со д е р ж и тся в 1 1 г к а р б о н ( 1\/) о кс и д а ? 1 2 5 . Во в р ем я р а зл о ж е н и я 3 9 г а л ю м и н и й ги д р о кси д а о б р а зо в а л о с ь 2 0 г а л ю м и н и й о кси д а . П олностью ли р а зл о ж и л о сь со ед и н е н и е ?

Свойства и пр и м енени е солей М а те р и а л п а р а гр а ф а п о м о ж е т в а м : > вы яснить ф и зи ч е ски е св о йства солей; > усвоить х и м и ч е ски е с в о й ств а солей; > п р о гн о зи р о в а ть в о зм о ж н о с ть р е а кц и и соли с металлом; > вы яснить сф еры пр и м е н е н и я солей.

Рис. 3 1. Осадок плюмбум(П) иодида в охлажденном растворе

Физические свойства солей. Соли, как и другие ионные соединения, при обычных условиях являются кристаллическими веществами. Они обычно имеют высокие температуры плавления: ИаС! 801 °С; К 2в04 1069 °С; СаБЮз 1544 °С. Часть солей растворяется в воде, некото рые являются малорастворимыми (рис. 31), а остальные — нерастворимые. Соответ ствующая информация помещена в таблице растворимости (форзац 2). Образование растворов солей часто сопро вождается тепловыми эффектами. Например, при растворении натрий карбоната выделяется небольшое количество теплоты и раствор не91

много нагревается. А во время приготовления раствора натрий нитрата можно зафиксировать незначительное понижение температуры.

Рис. 3 2 . Р еакция м еж ду раствором плюмбум(И) нитрата и ц инком

Л иш ь одна соль — натрий хлорид — имеет солены й вкус. Многие другие растворимые соли горькие, а соли Плюмбума и Бериллия сладкие, но чрезвычайно ядовитые. Опреде ля я вкус различных солей, некоторые алхи мики, вероятно, поплатились за это жизнью. Соли по-разному влияют на растения, животных, человека. Среди них есть соедине ния, которые содержат необходимые для растений элементы; их применяют в качестве удобрений. А поваренную соль мы ежедневно употребляем вместе с пищей, чтобы попол нить ее запасы в организме (это соедине ние постоянно выводится из организма вместе с потом и мочой). Химические свойства солей. Соли всту пают в разнообразные реакции с просты ми и сложными веществами. Р еа к ц и и с м ет ал лам и. Соль в водном растворе может реагировать с металлом с образованием новой соли и другого м еталла (рис. 32). Часто говорят, что один металл «вытесняет» другой из раствора соли. Реакция происходит, если металл-реа гент активнее, чем м еталл-продукт, т. е. находится в ряду активности слева от него (форзац 2): р ь ( м о 3)2 + гп = гп(ЫОз)2 + р ь . ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ № 9 Реакция между раствором купрум(И) сульфата и железом

В пробирку осторожно поместите чистый железный гвоздь и налейте немного раствора купрум(И) сульфата. Что происходит на поверхности металла? Изменяется ли со временем цвет раствора? 92

Составьте уравнение реакции. Примите во внимание, что одним из ее продуктов является соединение Феррума(Н).

Рис. 33. Реакция между манган(И) хлоридом и натрий гидроксидом

Изучая основания и кислоты, вы узна ли о реакциях этих соединений с солями. Кроме того, соли также могут взаимодей ствовать друг с другом. Все упомянутые реакции относят к реакциям обмена. Реакции со щ елочами. Реакция между солью и щелочью происходит лиш ь в растворе (нерастворимые соли со щелоча ми не взаимодействуют). Она возможна, если один из ее продуктов — основание или соль — выпадает в осадок (рис. 33): МпС12 + 2КаОН = М п(ОН)24 + 2ИаС1; К 2Б04 + Ва(ОН)2 = 2КОН + ВаБ041. Д ля прогнозирования возможности таких реакций используют таблицу растворимости (форзац 2). ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ № 10 Реакция между купрум(Н) сульфатом и натрий гидроксидом в растворе

Налейте в пробирку немного раствора купрум(П) сульфата (какого он цвета?) и добавьте к нему при перемешивании не сколько капель раствора натрий гидроксида. Что наблюдаете? Какое соединение осаждается? Если к раствору купрум (П ) сульфата добавить столько раствора щелочи, сколько необходимо для полного превраще ния соли в купрум(П ) гидроксид, то после отстаивания над осадком увидим бесцветный раствор. Он будет содержать лишь натрий сульфат (ионы Na и SO| ). Составьте уравнение реакции. Реа кции с кислот ам и. Соль (как раствори мая, так и нерастворимая) может взаимодей ствовать с кислотой с образованием новой соли и новой кислоты. Такие реакции часто сопровождаются выделением осадка (рис. 34) или газа 93

СиБ04 + Н 2в = С и в і + Н 2Б04; ГеБ + Н 2Б04 = Н 28Т + ГеБ 04, но иногда остаются незаметными: ЫаЕ + Н Ж )3 = НЕ + NaNOз. Случаи, в которых реакция между солью и кислотой возможна, указаны в § 12 (с. 81). Рис. 3 4 . Р еакция м еж д у купрум(И) сульфатом и сульф идной кислотой

ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ № 11 Реакция между раствором натрий карбоната и сульфатной кислотой Налейте в пробирку немного раствора натрий карбоната и добавьте такой же объем разбавленного раствора сульфатной кислоты. Что наблюдаете? Какой газ выделяется? Почему он образуется? Составьте уравнение проведенной реакции обмена, указав в нем разложение одного из продуктов.

Рис. 3 5 . Р еакция м еж д у плюмбум(Н) нитратом и ка л ий иодидом 94

Р еа к ц и и с д р у ги м и со л я м и . Взаимо действие между двумя солями происхо дит лиш ь в растворе (реагенты должны быть растворимыми в воде) с образовани ем двух новых солей. Реакция возмож на, если один из ее продуктов выпадает в осадок (рис. 35), т. е. является нераство римым или малорастворимым соедине нием. Примеры реакций между двумя со лями: А ёМ 0 3 + N 3 0 = А ё С и + ^ Ж ) 3; ЗВаС12 + 2К 3Р 0 4 = Ва3(Р 0 4)21 + 6КС1.

ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ № 12 Реакция между натрий карбонатом и кальций хлоридом в растворе Налейте в пробирку немного раствора натрий карбоната и добавьте к нему несколько капель раствора кальций хлорида. Что наблюдаете? Составьте уравнение реакции. Т е р м и ч е ск о е р а зл ож ен и е солей. Оксигенсодержащие соли, образованные газообразны ми, летучими или неустойчивыми оксидами, при нагревании разлагаются. Продуктами этих реакций, как правило, являю тся два соответствующих оксида: C a S 0 3 = CaO + S 0 2T.

Нитраты, как и нитратная кислота, проис ходят от нитроген(У) оксида N 20 5. Однако при нагревании нитратов этот оксид не образует ся, поскольку он термически неустойчив: A 1(N 03)3 -*> А120 3 + (N 20^)‘ . no

о 2Т

Соли щелочных элементов либо не разлага ются (карбонаты, сульфаты), либо их разло жение происходит своеобразно. Некоторые из таких реакций используют в лаборатории для получения кислорода: 2 N a N O s = 2 N a N O z + 0 2Т; 2КСЮ 3=

2КС1 + 3 0 2Т ;

2 К М п 0 4 = К 2М п 0 4 + М п 0 2 + 0 2Т.

Изложенный материал обобщен в схеме 5. Применение солей. Многие соли применя ются на практике. Натрий хлорид является сырьем для промышленного получения хлора,1 1Так разлагаются нитраты металлических элементов от Магния до Купрума включительно (см. ряд активности металлов). 95

С хем а 5. Х им и чески е сво йства солей Рис. 3 6 . П родукция за в од а м инеральны х удобрений

хлоридной кислоты , натрий гидроксида, соды. Это соединение незаменимо для приго товления пищи, консервирования. Хлорид, сульфат, нитрат К али я, фосфаты Кальция, некоторые другие соли применяют в качестве минеральных удобрений (рис. 36). Кальций карбонат в виде камня известняка используют в строительстве, а на заводах из него произво дят известь. На основе искусственно получен ной соли изготовляю т зубную пасту. В ш коле пиш ут на доске мелом, а это — также кальций карбонат. Кальций суль фат (гипс) применяют в строительстве и медицине. Простым средством для мытья и чистки посуды, предметов домашнего обихода, смягчения воды перед стиркой является кальцинированная сода, или натрий карбонат. Кальцинированную соду вместе с мелом или известняком используют в производстве стекла.

ВЫВОДЫ

Соли — ионные вещества. Они имеют высокие температуры плавления, различную раствори мость в воде. Соли взаимодействуют с металлами с образо ванием другой соли и другого металла. Такие реакции происходят, если металл-реагент более активный, чем металл-продукт (это определяют с помощью ряда активности металлов). Соли вступают в реакции обмена со щелоча ми, кислотами, другими солями. Некоторые 96

оксигенсодержащие соли при нагревании раз лагаются на соответствующие оксиды. Многие соли используются на практике.

9 ■ 1 2 6 . О х а р а кте р и зу й те ф и з и ч е с ки е с в о й с т в а со л ей. П р и в е д и те п р и м еры со л ей, р а с тв о р и м ы х , м а л о р а с тв о р и м ы х и н е р а с тв о р и м ы х в воде. 1 2 7 . Д о п и ш и те схе м ы р е а кц и й и со ста в ьте х и м и ч е с ки е ур а в н е н и я : а) H g S 0 4 + M g ->• б) P b (N 0 3)2 + H 2S 0 4 -> S rS 0 3 + H B r —> K 3P 0 4 + CaCI 2 —> 128.

129.

130.

131.

132. 133.

C rS 0 4 + KOH -> M gS03 Л В м есто т о ч е к н а пи ш и те ф орм улы солей и п р е в р а т и те схе м ы р е а кц и й в х и м и ч е с к и е у р а в н е н и я : а ) ... + М п —> ... + Си; ... + Hl -> . . . i + H N 0 3; ... + H 2S 0 4 -> ... + C 0 2f + Н 20 ; б) ... + Ва(О Н )2 -> Fe(OH)2l + ...; P b (N 0 3)2 + ... ->• P b C 0 34 + ...; Zn О + NOzt + 0 2T . Н а пиш ите у р а в н е н и я р е а к ц и й , с п о м о щ ь ю ко то р ы х м о ж н о осу щ ествить т а к и е п р е в р а щ е н и я : а) K 2S 0 4 -> KCl -> K N 0 3; б) AICI3 -> А1Р0 4 -> AI2(S 0 4)3 -> A I(N 0 3)3; в) ZnCI 2 -> Z n C 0 3 -> ZnO —> Z n (N 0 3)2 —> Zn(O H )2 —> K 2Z n 0 2. Н а п иш ите у р а в н е н и я р е а к ц и й (если о н и происход ят) м е ж д у т а ки м и с о е д и н е н и я м и : а) ка л и й с и л и ка то м и н и тр а тн о й ки сл о то й ; б) на трий сульф атом и м а гн и й н итр ато м ; в) купрум (И ) хл о рид о м и б а р и й сульф атом ; г) хром (Ш ) сульф атом и н а тр и й ги д р о кс и д о м ; д) ка л и й сульф идом и м ер кур и й (П ) нитр ато м . К а ку ю м а кс и м а л ь н у ю м а ссу ф еррум (Ш ) ф торида м о ж н о полу чить и з 4 ,8 4 г ф еррум(Ш ) нитр ата ? К а к б ы в ы о сущ е ствил и т а ко й э кс п е р и м е н т ? Х ватит ли 1 3 г ц и н к о в о г о п о р о ш ка для п о л н о го п р е в р а щ е н и я 3 3 ,1 г плю мбум(И) нитр ата в с в и н е ц ? После погруж ения ж е л е зн о й пластинки в раствор купрум(И) суль фата ее м асса увеличилась на 0 ,8 г. В ычислите м ассу меди, кото-

4 Химия, 8 кл.

рая выделилась на пластинке. П римите в о в н им ание, что в резуль тате р е а кц и и образуется р астворим ая соль — феррум(П) сульфат. 1 3 4 . П осле н а гр е в а н и я 2 8 ,7 г см е си н и тр а то в Н атрия и К ал ия полу чили 3 ,3 6 л ки с л о р о д а (н. у.). К а к и е м ассы сол ей со д е р ж а л а исход ная с м е сь ?

ДЛЯ ЛЮБОЗНАТЕЛЬНЫХ

Кислые соли Вы зн а е те , что при р е а кц и и кисл оты со щ елочью атом ы Гидроге на ка ж д о й м олекулы ки сл о ты «заменяю тся» а то м а м и (точнее — и о н а м и ) м е та л л и ч е ско го эл ем е нта: Н23 0 4 +■ 2ИаО Н = И а23 0 4 + 2 Н гО; Н 3Р04 + ЗКО Н = К 3Р04 + зн 2о. А в о з м о ж н а ли за м е н а то л ь ко части а то м о в Гидрогена в м о л е ку ле м н о го о с н о в н о й ки сл о ты ? Д а . В результате со о тве тствую щ их р е а кц и й о б р а зую тся т а к н а з ы в а е м ы е кислые соли: Н23 0 4 + ИаОН = Ы аН 304 + Н 20 ; Н 3Р 0 4 + КОН = К Н 2Р 0 4 + Н 20 ; Н 3Р 0 4 + 2КО Н = К 2Н Р 0 4 + 2 Н 20 . К исл ы е соли С а(Н С 0 3)2 и 1 \^ (Н С 0 3)2 со д е р ж а тся в р а ств о р е н н о м с о сто я н и и в пр есн о й во де . При ее к и п я ч е н и и эти со е д и н е н и я р а з л а га ю тся С а(Н С 0 3)2 = С аС 031 + С 0 2Т + Н 20 ;

1\/Ш(НС03)2 = Г\/^С031 + со 2Т + н2о и на с те н ка х сосуда о б р а зуе тся н а к и п ь — см е сь к а р б о н а т о в С а С 0 3 и М£СОэ. К и с л ы е сол и К а л ь ц и я и о р то ф о сф а тн о й ки с л о ты С а Н Р 0 4 и Са(Н 2Р 0 4)2 со ста в л яю т о с н о в у ф осф орны х уд о б р е н ий — п р е ц и п и т а та и суперф осф ата со о тв е тств е н н о . Кислая соль Н атрия и ка р б о н а т ной кисл оты ИаНСОз и зв е с тн а ка ж д о й д о м о х о з я й ке , зто — п и ть е вая (п и щ е в а я ) сода (рис. 3 7 ).

Рис. 37. Две соды: а — кальцинированная (На2СОэ): б — питьевая, или пищевая (МаНС03)

У 98

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 1 Изучение свойств важнейших классов неорганических соединений ВАРИАНТ I Изучение химических свойств хлоридной кислоты ОПЫТ 1 Действие хлоридной кислоты на индикатор С помощью пипетки и ли стеклянной палочки нанесите каплю разбавленной хлоридной кислоты на полоску универ сальной индикаторной бумаги. Как изменяется ее окраска? ОПЫТ 2 Реакция хлоридной кислоты с металлом В пробирку осторожно поместите гранулу цинка и долейте 1 мл разбавленной хлоридной кислоты. Содержимое пробирки можно немного подогреть. Что наблюдаете? ОПЫТ 3 Реакция хлоридной кислоты с основным (амфотерным) оксидом В пробирку насыпьте немного кальций оксида (ф еррум(Ш ) оксида) и долейте 1 мл разбавленной хлоридной кислоты. (Д ля ускорения реакции пробирку с амфотерным оксидом и кисло той можно нагреть, но не до кипения раствора.) Какие измене ния происходят с веществами? ОПЫТ 4 Реакция хлоридной кислоты со щелочью1 Налейте в пробирку 1 мл разбавленной хлоридной кислоты и добавьте 1— 2 капли раствора фенолфталеина. Добавляйте к кислоте по каплям при перемешивании раствор натрий гидрок сида до появления малиновой окраски. На что она указывает? 1 Д л я опы та вм есто щ е л о ч и м о ж н о в зя ть н ерастворим ое основание или амф отерны й ги д рок си д (и х н еобход и м о п о л у ч и т ь , осущ естви в реакцию соответствую щ ей с о л и со щ е л о ч ь ю ). В этом с л у ч а е к ги д р о к сиду добавляю т к и с л о т у , а и н д и к а тор не н уж ен .

ОПЫТ 5 Реакция хлоридной кислоты с солью Налейте в пробирку 1 м л раствора натрий карбоната1и добавь те 1— 2 мл разбавленной хлоридной кислоты. Что наблюдаете? ВАРИАНТ II Изучение свойств никель(Н) сульфата ОПЫТ 1 Изучение физических свойств никель(П) сульфата Внимательно рассмотрите выданное вам твердое вещество и опишите его. Укажите характер частиц соединения (кристал лики, порошок, кусочки произвольной формы). Выясните, растворяется ли никель(Н ) сульфат в воде. Д ля этого в небольшой стакан с водой насыпьте приблизительно 1/4 чайной лож ки вещества и перемешайте смесь стеклянной палочкой. Каков результат опыта? Согласуется ли он с данны ми, приведенными в таблице растворимости? Полученный раствор соли разлейте по четырем пробиркам. ОПЫТ 2 Реакция никель(П) сульфата с металлом В пробирку с раствором н и к ель(Н ) сульфата поместите гра н у лу цинка. Нагревайте содержимое пробирки в течение 1— 2 мин., но не до кипения. Изменяется ли поверхность метал ла, цвет раствора? ОПЫТЗ Реакция никель(П) сульфата со щелочью В другую пробирку с раствором никель(П) сульфата добавьте такой же объем раствора щелочи. Какие изменения происходят? ОПЫТ 4 Реакции никель(М) сульфата с другими солями В одну из двух оставшихся пробирок с раствором никель(И) сульфата добавьте раствор натрий карбоната, а в другую — раствор барий хлорида. Ч то наблюдаете? 1 Э тот раствор м ож н о за м ен и т ь раствором натрий с и ли к а т а .

100

Во время выполнения каждого опыта записывайте в приве денную ниже таблицу свои действия, наблюдения (фиксируйте образование раствора, осадка, выделение газа, наличие или отсутствие запаха, изменение или появление окраски и т. п.). После завершения опыта запишите в таблицу выводы и соот ветствующие химические уравнения. Последовательность действий Опыт 1.

Наблюдения

Вывод

... (название)

...

Уравнение реакции:

9 ■ 1 3 5 . П р о и зо й д е т ли р е а кц и я в о п ы те 2 , если в м е с то ц и н к а в зя ть: а) м а гн и й ; б) с е р е б р о ? О тветы о б о сн уй те . 136. П р о и зо й д е т ли р е а кц и я в о п ы те 5 (в а р и а н т I) или о п ы те 4 (в а р и а н т II), если на трий к а р б о н а т з а м е н и ть : а) ка л ь ц и й ка р б о н а то м ; б) на трий н и тр а то м ? О тветы о бо сн уйте . 137. Р е а кц и и к а к и х т и п о в вы о сущ е ств и л и , в ы по л н я я п р а кт и ч е с ку ю работу?

Способы получения оксидов Материал параграфа поможет вам: > >

в ы ясн и ть в о зм о ж н о с ти получения о кс и д о в р а з л ичн ы м и сп о со б а м и ; понять тр е б о в а н и я , пр ед ъ явл яе м ы е к п р о м ы ш л енны м м етодам получения вещ еств.

Известны несколько способов получения оксидов. Некоторые из них основаны на реак 101

Это интересно

С кислородом не реагируют золото, платина, инертные газы и галогены.

циях простых или сложных веществ с кисло родом, другие — на термическом разложении оксигенсодержащих соединений. Реакции простых веществ с кислородом. В такую реакцию (как правило, при нагрева нии) вступают почти все металлы и неметал лы. В 7 классе вы наблюдали за тем, как горят на воздухе или в кислороде сера, углерод, маг ний, фосфор. ► Напишите уравнения реакций горения серы и магния. Другие примеры аналогичных реакций:

Б! + 024 вЮ2; 2Л¥ 4- 302 = 2Л¥0:,. Реакции сложных веществ с кислородом. Большинство бинарных соединений элемен тов с Гидрогеном горят в кислороде или на воз духе. Продуктами этих реакций являются оксиды и вода: СН4+ 202 = С02+ 2Н20; 2Н2в + 302 = 2Б02+ 2Н20. С кислородом взаимодействуют также сульфиды металлических элементов (они содержатся в полиметаллических рудах):

Рис. 38.

Термическое разложение купрум(И) гидроксида 102

2ZnS + 302 = 2гпО + 2Б02. Такие реакции используют в цветной м еталлургии; из образующихся окси дов металлических элементов получают медь, цинк, кадмий и др. Термическое разложение гидроксидов. Основания, оксигенсодержащие кислоты и амфотерные гидроксиды являются термиче ски неустойчивыми соединениями (исключе ние составляют гидроксиды щелочных эле ментов). При нагревании они разлагаются на соответствующие оксиды (рис. 38):

Си(ОН)2 = СиО + Н 2ОТ;

Н28 0 4= во3Т + н2оТ. ► Напишите уравнение реакции разложения феррум(Ш ) гидроксида. Термическое разложение океигенсодержащих солей. Соли, образованные газообразны ми кислотными оксидами (8 0 2, С 02), при нагревании разлагаются на оксиды:

гпС0 3= ZnO + со2Т. Если оксид термически неустойчив, то вместо него образуются продукты его раз ложения (рис. 39): РЬ (Н 03)2

РЬО + (М20 5); *4 Ч и о2Т о 2Т

Ае2со3Л (Ае2о) + со2Т. ч

Рис. 3 9 .

Термическое разложение плюмбум(И) нитрата

о 2Т Оксигенсодержащ ие соли Натрия и Калия при нагревании либо не разлага ются, либо разлагаются, но не на оксиды (§ 14). Соли, образованные нелетучим и к и слот ными оксидами (например, 8Ю 2, Р 2Ог>) или амфотерными оксидами (как кислотны м и), устойчивы к нагреванию. Примеры таких солей: СавЮд, г п 3(Р 0 4)2, М е (В 0 2)2, Си(АЮ 2)2, В аЕп02. Если элемент образует два или больше окси дов, то один оксид нередко удается превратить в другой с помощью нагревания АСиО = 2Си20 + 02Т или

осуществив его реакцию с кислородом

2СО + 0 2 = 2С02.

Изложенный материал обобщает схема 6. 103

Схема 6. Получение оксидов

104

Получение оксидов в промышленности. Из материала § 9 вы узнали о применении некоторых оксидов. И х получаю т на химических заводах. В отличие от лабораторных способов полу чения различных соединений промышленная технология предусматривает использование реагентов в больш их количествах и предъяв ляет такие требования: 1. Исходные вещества должны быть доступ ными и дешевыми. Лучш е всего использовать природное сырье. 2. Энергозатраты при подготовке и осущест влении химических реакций долж ны быть минимальными. Рассмотрим, как получают негашеную известь, или кальций оксид. Суть единствен ного промышленного способа, который исполь зуют не одно столетие, заключается в разложе нии известняка СаС03 при температуре 900 °С. Природных залежей известняка очень много; это доступное и дешевое вещество. Температу ра, при которой разлагается известняк, не очень высока для промышленности (например, в металлургии создают температуру 1500 °С и выше). При более слабом нагревании разложе ние известняка замедляется или прекращается. Почему для производства кальций оксида не использую т другие реакции? Например, взаимодействие кальция с кислородом: 2Са + + 0 2= 2СаО? Потому что кальция нет в приро де, а получать этот м еталл очень сложно. Известно, что кальций оксид образуется при

термическом разложении гипса1. Гипс, хоть и встречается в природе, дороже известняка, а температура его разлож ения намного выше 900 °С. Разлагать же кальций гидроксид (гаше ную известь) с целью получения негаше ной извести (Са(ОН)2 = СаО 4- Н 2о Т ) нецелесо образно, поскольку гашеную известь как раз производят из негашеной.

ВЫ ВОДЫ

Оксиды получают с помощью реакций про стых и некоторых сложных веществ с кислоро дом, а также термическим разложением гидрок сидов и оксигенсодержащих солей. Промышленные методы получения оксидов, как и других соединений, предусматривают использование доступных и дешевых веществ при минимально возможных энергозатратах.

1 3 8 . П ре д л ож и те к а к м о ж н о б о л ьш е с п о с о б о в по луче н ия: а) силиц и й ( 1У) о кс и д а ; б) а л ю м и н и й о кс и д а . Н а пиш ите у р а в н е н и я со о т ветствую щ и х р е а кц и й . 1 3 9 . У ка ж и те ф ормулы со е д и н е н и й , ко то р ы е р а зл а га ю тся при н а гр е в а н и и : Н 25 Ю 3, С и 5 0 4, Р е(Р03)3, 1МаОН, Гу^ С 0 3, РЬ(ОН)2, Н 3В 0 3. Н апиш ите с о о тв е тств ую щ и е х и м и ч е с ки е у р а в н е н и я . 1 4 0 . Д о п и ш и те схем ы р е а к ц и й р а зл о ж е н и я и п р е в р а ти те их в х и м и ч е с ки е у р а в н е н и я : а) ... —> Ре2Оэ -к Н 20 ; б ) ... —> 1М20 3 + Н 20 ; ... —> М пО + Н 20 ; ... ТЮ 2 + Н 20 . 1 4 1 . На х и м и ч е с ки х за в о д а х сульф атную кисл о ту получаю т, о сущ е ст вляя р е а кц и ю сульф ур( 1У) о кси д а с ки сл о р о д о м , в результате ко то р о й о бр а зуе тся сульф ур(У 1) о кси д , а за те м — р е а кц и ю это го о кс и д а с водой. К а к о й и з п р и в е д е н н ы х н и ж е м етод ов получе ния сульф ур( 1У) о кси д а м о ж н о и сп о л ь зо в а ть в пр ом ы ш л ен н о сти:

1Уравнение реакции: 2(CaS04* 2Н20) = 2СаО + 2S02T + 0 2Т + 4Н2ОТ. 105

1) терм ическое разлож ение сульфур{\/1) оксида: 2 Б 0 3 = 2 5 0 2 + 0 2: г 2 ) с ж и га н и е серы : Б + 0 2 = Б 0 2; 3) те р м и ч е с ко е р а з л о ж е н и е соли А ргентум а:

2Ag2SOз = 4Ag + 0 2Т + 2Б02Т; 4) о б ж и г на в о зд ухе сульф идны х м и н е р а л о в (по л им е та л л и

142.

143. 144. 145.

ч е с ки х руд): 2 2 п Б + 3 0 2 = 22пО + 2 Б 0 2Т. В ы б о р метода о бо сн уйте . В ы ч и сл и те о б ъ е м ы о к с и д о в К арбона(1У ) и Сульфура(1\/) (в п е ресчете на н о р м а л ь н ы е условия), ко то р ы е о б р а зую тся при с го р а н и и 1 9 г карбон(1У) сульф ида в и зб ы тке кисл о р о д а . После прокаливания 2 ,3 2 г м агний гидроксида м асса твердого остатка составила 1 ,6 0 г. Полностью ли разлож илось соединение? О п р е д е л и те о тн о с и т е л ь н у ю п л о тн о с ть п о в о зд у х у га з о в о й см еси, ко то р а я о б р а зуе тся при н а гр е в а н и и ц и н к нитрата. В результате с ж и га н и я 8 г см е си серы и углерода о б р а зо в а л о с ь 2 6 г см еси с е р н и с т о го и у гл е ки с л о го га з о в . В ы числите м а с с о вы е доли пр осты х в е щ е ств в см еси.

Способы получения оснований и амф отерны х гидроксидов Материал параграфа поможет вам: >

в ы ясн и ть в о зм о ж н о с ти получения щ елочей и не ра ство рим ы х о сн о в а н и й р азл ичны м и спо со б ам и; в ы б ир а ть реагенты для получения ам ф отерного гид р о ксид а.

Щ елочи можно получать тремя способами, а нерастворимые основания — только одним. Получение щелочей. Один из способов полу чения щелочей основан на реакции металла с водой (рис. 40). Кроме щелочи, образуется водород: 106

Рис. 4 0 .

Реакция натрия с водой (добавлен фенолфталеин)

2Иа +• 2Н20 = 2ЫаОН + Н 2Ї ; Са + 2Н20 = Са(ОН)2 + Н 2Т. Второй способ получения щелочей — взаимодействие основного оксида с водой : Иа20 + Н20 = 2КаОН. Таким способом получают гашеную известь на заводах и непосредственно перед использованием этого вещества для стр ои тельн ы х работ, п обелки стволов деревьев: СаО + Н 20 = Са(ОН)2. Щ елочь можно получить и с помощью реак ции обмена между растворимой солью и дру гой щелочью (в растворе). Исходные соедине ния подбирают так, чтобы образовалась нераст воримая соль: N a2S04 + Ва(ОН)2 = BaS04i + 2NaOII. Гидроксиды Натрия и Калия производят в про мышленности действием постоянного электри ческого тока на водные растворы хлоридов: ЭЛ. ТО К

ж.

= 2МОН + Н2Т + С12Т. (М — Л/а, К) Этот процесс называют электролизом. 2МС1 + 2Н20

П олучение нерастворимых оснований. Нерастворимое основание можно получить только с помощью реакции обмена меж ду солью и щелочью в растворе. Поскольку осно вание будет выпадать в осадок, то образую щаяся соль должна быть растворимой в воде (два нерастворимых соединения разделить невозможно): №С12 + 2КаОН = № (О Н )24, + 2ЫаС1; 2ВиЫ03)з 4- ЗВа(ОН)2 = 2В1(ОН)34 + ЗВа(НО;1)2. Малорастворимый магний гидроксид может быть не только продуктом реакции обмена. Это соединение, как и щелочи, образуется при взаи модействии металла или оксида с водой. Прав107

да, эти реакции происходят медленно, а пер вая — только при нагревании:

M g + 2Н20 = МШ(ОН)2 + Н2Т; MgO + Н20 = Mg(OH)2.

Изложенное обобщает схема 7.

С хем а 7.

Получение оснований

Получение амфотерных гидроксидов. Ввиду того что амфотерный гидроксид проявляет свойства основания и кислоты, его можно получить с помощью реакций обмена и как основание 2пв04 + 2ИаОН = гп (О Н )21 4- К а28 0 4, и как кислоту

Ыа2гп0 2+ н2во4= Н2гп024, + Ка2в0 4.

Эти превращения происходят потому, что все амфотерные гидроксиды нерастворимы в воде. Щ елочь или кислоту нельзя брать в избыт ке, поскольку амфотерный гидроксид реаги рует с обоими соединениями. Например, при взаимодействии натрий цинката с избытком сульфатной кислоты вместо цинк гидроксида образуется цинк сульфат: Иа2г п 0 2 + 2Н2в 0 4 (изб.) = = гп 8 0 4 + К а28 0 4 + 2Н20. ► Напишите уравнение реакции цинк суль фата с натрий гидроксидом, взятым в избытке. 108

Некоторые амфотерные гидроксиды можно получить реакцией обмена менадудвумя солями в растворе , если одна из солей — продуктов реакции — разлагается водой (такие сведения имеются в таблице растворимости): 2А1С13 + ЗК2СОэ = А+2(С03) з + 6КС1; А ^ С О ^ !з + 6Н20 = 2А1(ОН)з>Г + ЗН2СОэ; 2А1С13 + ЗК2С03 + 6Н20 = = 2А1(ОН)31 + 6КС/ + ЗН2СОэ.

^ зн2о

\ зсо2Т

выводы Щелочи получают взаимодействием соответ ствующих металлов или оксидов с водой. Общий метод получения растворимых и не растворимых оснований, а также амфотерных гидроксидов основан на реакции обмена между щелочью и солью в растворе. Амфотерные гидроксиды, кроме того, получают взаимодей ствием соответствующих солей с кислотами.

9 1 4 6 . П ре д л ож и те к а к м о ж н о б о л ьш е с п о с о б о в по луче н ия: а) б а р и й ги д р о кс и д а ; б) м анган(И ) ги д р о кс и д а ; в) хром(М1) ги д р о кси д а . Н а пиш ите со о тв е тств ую щ и е х и м и ч е с к и е у р а в н е н и я . 1 47. Д опиш ите схемы реакций и превратите их в хим ические уравнения: а) Li + ... —> LiOH + ... ; SrO + ... —> Sr(OH)2; б) Fe2(S 0 4)3 + ... - > Fe(OH)3 + ... ; B a Z n 0 2 + H N 0 3 —y Z n (0 H )2 + ... . 1 4 8 . Н апиш ите у р а в н е н и я р е а кц и й , с п о м о щ ь ю ко то р ы х м о ж н о осу щ ествить т а к и е п р е в р а щ е н и я : а) К 2С 0 3 -> КОН; б) CdS - у CdO - у 0 d (N O 3)2 - у C d (0 H )2; в) Al - y Al20 3 - y AICI3 - y A I(0H )3. 1 4 9 . В х и м и ч е с ко м ка б и н е те и м е ю тся ги д р о кс и д ы К ал ия и Б ария, а т а к ж е соли К ал ьц ия — к а р б о н а т и хлорид. К а к и е со ед и н е н и я 109

м о ж н о и с п о л ь зо в а ть для получения ка л ь ц и й ги д р о кс и д а ? К а к п р о в е сти с о о тв е тств ую щ и е э кс п е р и м е н ты ? 1 5 0 . В ам п о руче н о за д а н и е — получить станнум(И) ги д р о кс и д двум я с п о с о б а м и , исходя и з станнум (И ) о к с и д а . К а к и е р е а кт и в ы н еоб ход им ы для э то го ? П рим ите в о в н и м а н и е то. что с о е д и н е ния Станнума(М) по р а ств о р и м о сти сходны с со е д и н е н и я м и Ц ин ка. Н апиш ите у р а в н е н и я со отве тствую щ их р е а кц и й . 1 5 1 . К а ка я м асса б а р и й ги д р о кс и д а о б р а зуе тся при в з а и м о д е й ствии 1 5 .3 г б а р и й о кс и д а с водой? 1 5 2 . М о ж е т ли о б р а зо в а ть с я 1 0 г на трий ги д р о кси д а , если для осу щ ествления р е а к ц и и в зя то 6 .9 г натрия и 3 .6 г воды ? Ответ дайте на о с н о в а н и и в ы чи сл е н и й .

Способы получения кислот

Материал параграфа поможет вам: >

в ы б и р а ть способ ы получения кислоты в за в и ся м ости от ее состава и св о йств; > определять условия, при которых м о ж н о осущ е ствить р е а кц и ю обм ена с о бр а зо в ан и е м кислоты.

Прежде чем выбрать способ получения кис лоты, нужно выяснить, безоксигеновой или оксигенсодержащей она является, а также — сильной или слабой,летучей или нелетучей, растворимой или нерастворимой в воде. > Какие кислоты называют безоксигеновыми, оксигенсодержащими? Приведите приме ры сильных, слабых, летучих, нелетучих кислот. (При необходимости обратитесь к § 7 и 12.) Реакция между водородом и неметаллом. Это способ получения безоксигеновых кислот: Н2 4- С12 = 2НС1. 110

Продукты таких реакций — хлороводород, сероводород, другие газообразные соединения неметаллических элементов V I или V II груп пы с Гидрогеном — растворяют в воде и полу чают кислоты. На взаимодействии хлора с водородом осно вано промышленное производство хлоридной кислоты. Реакция между кислотным оксидом и водой. Такую реакцию используют для полу чения оксигенсодержащих кислот': Б03 + Н аО = Н 2Б04; Р 20 5 + ЗН20 = 2Н3Р 0 4. Первая реакция происходит на завершаю щей стадии производства сульфатной кислоты. Осуществлять аналогичную реакцию между оксидом И20 5 и водой для промышленного получения нитратной кислоты нецелесообраз но, так как этот оксид неустойчив. Исходным веществом служит нитроген(1\0 оксид: 4И02 + 0 2 + 2Н20

4НЛЮ3.

Реакция между солью и кислотой. На этой реакции основан общ ий способ получения кислот — и безоксигеновых, и оксигенсодер жащих. Продуктами являются другие соль и кислота. Такую реакцию обмена можно осуществить с использованием растворов соли и кислоты, если удовлетворяется одно из двух условий: • продукт реакции — новая соль или новая кислота — нерастворим в воде (это опреде ляем по таблице растворимости): ВаС12 + Н 2Б04 = ВаБОД + 2НС1; К а2БЮ3 + 2 Н Ж )3 = 2 К аК 0 3 + Н 2БЮ3>1; • кислота, которую нужно получить, являет ся слабой, а кислота, которая вступает в 1 С и л и ц и й (1 У ) окси д с водой не взаим одействует.

111

реакцию, — сильной (соответствующая информация помещена в § 7): K 2S + 2НС1 = 2KCl + H 2S. Д ля получения сильной и летучей кислоты (в том числе и безоксигеновой) реакцию прово дят не в растворе, а между твердой солью и нелетучей кислотой. Взаимодействию веществ способствует нагревание: 2NaNOa(тв.) + H2S04(конц.) = Na2S04+ 2H N03t . УПРАЖНЕНИЕ. Можно ли получить хлоридную кислоту с помощью реакции между калий хлоридом и сульфатной кисло той? Если да, то в каких условиях?

Решение Продуктами реакции должны быть новые соль и кислота: KCl + H 2S04 -► K 2S04 + HCl. По таблице растворимости определяем, что все соединения растворимы в воде. Сульфатная и хлоридная кислоты — силь ные, но отличаются по физическим свойствам: первая — нелету чая, а вторая — летучая (это водный раствор газа хлороводорода). Реакцию можно осуществить только в отсутствие воды. Тогда хлороводород будет выделяться из реакционной смеси. Итак, для получения хлороводорода и хлоридной кислоты нужно взять твердый калий хлорид и чистую сульфатную кислоту или ее концентрированный раствор. Чтобы ускорить взаимодействие твердого и жидкого веществ, необходимо нагревание (в растворе реакции обмена происходят мгновенно). Запишем соответствующее химическое уравнение, указав условия осуществления реакции (рис. 41):

2КС1 (тв.) + H2S04 (конц.) = K 2S04 + 2 H C lt.

Рис. 41. Получение хлороводорода и хлоридной кислоты 112

Схема 8. Получение кислот

Изложенное обобщено в схеме 8. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ КИСЛОТ

ПУ

реакция неметалла с водородом

реакция кислоты с солью

реакция кислотного оксида с водой

ВЫВОДЫ

Безоксигеновые кислоты получают с помо щью реакций водорода с неметаллами с после дующим растворением продуктов в воде. Оксигенсодержащие кислоты получают взаи модействием кислотных оксидов с водой. Общий метод получения кислот основан на реакции обмена между солью и кислотой.

? 1 5 3 . П редложите по два спо со б а получения ф торидной и ортофосфат ной кислот. Н апиш ите соответствую щ ие хи м и ч е ски е ур авнения. 1 5 4 . Д о п и ш и те схем ы р е а кц и й и п р е в р а ти те их в х и м и ч е с ки е у р а в нения: а) С120 7 + Н20 - х б) N a N 0 2 + Н 3Р 0 4 ->• H 2S 0 4 + P b (N 0 3)2 —> H B r + К 2С 0 3 - * 1 5 5 . З а п о л н и т е п р о п у с к и ф о р м ул а м и с о е д и н е н и й и п р е в р а т и те схемы в х и м и ч е с ки е у р а в н е н и я , у к а з а в усл овия, при ко то р ы х в за и м о д е й с тв у ю т в е щ е ств а : а) K 2S 0 3 + ... —х ... + S 0 2 + Н 20 ; СаС12 + ... —> HCI + ... ) б) B a (N 0 3)2 + ... -> H N 0 3 + ... ; N a 2S i0 3 + ... - х H 2S i0 3 + ___ 1 5 6 . К а ку ю о кс и ге н с о д е р ж а щ у ю кисл о ту нельзя получить из со о т в е тств ую щ е го о кси д а и воды ? 1 5 7 . К а ку ю м ассу на трий н и тр а та н е об хо д им о в зя ть для получения 5 0 ,4 г нитратной ки сл о ты ? 1 5 8 . В ы числите ко л и ч е ств о в е щ е ств а ортоф осф атной кисл о ты , ко то рая о бр а зуе тся пр и в за и м о д е й с тв и и 1 4 ,2 г фосфор(У) о кси д а с д о стато чн ы м ко л и ч е с тв о м воды . 113

Способы получения солей Материал параграфа поможет вам: > >

усвоить в а ж н е й ш и е способы получения солей; в ы б ир а ть р е а кц и и для получения соли и усло вия, необходим ы е для их осущ ествления.

Соли можно получать значительно большим количеством способов, чем оксиды, основания или кислоты. Три способа получения солей предполагают проведение химических реакций с участием металлов. С п о со б 1 : металл + неметалл —> соль. Этим способом можно получать безоксигеновые соли: 21л + Э == Ы 2Б. > Какие неметаллические элементы образуют соли этого типа? В каких группах периоди ческой системы они находятся? С пособ 2 : металл + кислота (раствор) —>соль + + водород. В такие реакции вступают сульфатная (в разбавленном растворе), хлоридная, некото рые другие кислоты и металлы, находящиеся в ряду активности слева от водорода: Ъп + 2НС1 = гпС12 + Н 2Т ; 2А1 + ЗН2Б04 = А12(Б04)3 + ЗН2Т. С п о со б 3 : металл 1 + соль 1 (в растворе) —> —» металл 2 + соль 2. Вам известно, что такая реакция возможна, если металл 1 активнее металла 2, т. е. металл 1 находится в ряду активности слева от металла 2:

Бп + Р Ь (М 0 3) 2 = РЬ 4- 8 п ( К 0 3) 2.

Несколько других способов получения солей предусматривают использование реакций 114

между соединениями, которые проявляют основные и кислотные свойства (§ 9, 11 — 13). С пособ 4: основание (амфотерный гидрок сид) + кислота (амфотерный гидроксид) —>• —►соль + вода1(рис. 42): 2Сг(ОН)3+ ЗНгвО« = СгДвОД, 4 6Н20. Способ 5: о с н о в н ы й ( а м ф о т е р н ы й ) о к с и д 44- к и с л о т н ы й ( а м ф о т е р н ы й ) о к с и д

— *

с о л ь 1:

ЗГеО 4- Р 2Ог>= Ре3(Р 0 4)2. Способ б: основание 4- кислотный (амфотер ный) оксид » соль 4- вода: Ва(ОН)2 4 8 0 2— ВаБОд 4- Н 20. Способ 7: к и с л о т а 4- о с н о в н ы й ( а м ф о т е р н ы й ) о к с и д - 4 с о л ь 4- в о д а :

Это и н те р е с н о

Соли А12(СО;,)3, Ре13 и некоторые другие до сих пор не получены.

2Н1 + Ы20 = 2Ы1 4- Н 20. Соли также получают с помощью реакций обмена с участием солей (§ 14). С пособ 8: соль 1 4- кислота 1 —> соль 2 44- кислота 2: СаС03 4- 2НС1 = СаС12 4- Н 2С03.

н 2о

с о 2Т

Способ .9: соль 1 4- щелочь —» соль 2 4- основа ние: МпВО, 4- 2КОН = К ^ О , 4- Мп(ОН)21. Способ 10: соль 1 4- соль 2 —►соль 3 4- соль 4 (рис. 43): И а ^ 4 СиС12 = СиБ4 4- 2КаС1.

Рис. 42. Реакция между основанием и кислотой

Рис. 43. Реакция между двумя солями в растворе

1Ам ф отерны е соединения не реагирую т д р у г с другом .

115

Схема 9. Получение солей

Способы 5 и 6 непригодны для получения солей безоксигеновых кислот, поскольку эти кислоты не имеют кислотных оксидов. Выбирая способы 8— 10, учитывают то, что реакция обмена возможна в случае образования осадка, газа или слабой кислоты (§ 11, 12, 14). Вышеизложенное обобщено в схеме 9.

УПРАЖНЕНИЕ. Предложить максимальное количество способов

получения магний сульфата Решение

Магний сульфат — оксигенсодержащая соль. Поэтому спо соб 1 для получения соединения не подходит. Эту соль можно получить, исходя из металла (способы 2 и 3): М е + Н28 0 4 (разб.) = М еЄ04 + Н 2Т ; М& + СиЄ04= М ев04 + Си. Магний сульфат может образоваться в результате реакций между соответствующими соединениями основного и кислот ного характера (способы 4— 7): М є(О Н )2 + Н 2804 = МєЄ04 + 2Н20; М є О + Б 0 3 = М е 8 0 4;

М е(О Н )2 + БОз - М^804 + Н 20; МёО + Н 2804 = М^Є04 + Н 20. Д ля реакции соли с кислотой (способ 8) нужно взять соль М агния, образованную слабой или летучей кислотой либо способной разлагаться с выделением газа, и сульф атную кислоту: 116

М ^С О з

+ н 2б о 4 = М е в 0 4 + н 2со3. ^

н 2о

со 2Т

Реакция соли со щелочью (способ 9) для получения магний сульфата не подходит, поскольку одним из реагентов должен быть гидроксид М е(О Н )2, а он является малорастворимым со единением. Магний сульфат растворяется в воде. Учитывая это, выберем для реакции между двумя солями (способ 10) такие реагенты: МяС12 +

А £ 28 0 4

растворимая малосоль растворимая соль

М^БО,,

растворимая соль

2 А еС 1 і. нерастворимая соль

ВЫВОДЫ

Соли получают несколькими способами. Часть способов основана на реакциях металлов с неме таллами, кислотами, солями. Другие способы предусматривают осуществление реакций между соединениями с основными и кислотными свой ствами, а также реакций обмена с участием солей.

1 5 9 . Соль к а к о го типа м о ж н о получить р е а кц и е й м еж д у просты м и в е щ е ств а м и ? З а п и ш и те н е с ко л ь ко со отве тствую щ их хи м и ч е с ки х у р а в н е н и й . 1 6 0 . П редлож ите м а кс и м а л ь н о е ко л и че ств о с п о с о б о в получения: а) ц и н к хлорида; б) купрум(Н) сульфата; в) б а р и й ка р б о н а та . Н апиш ите у р а в н е н и я р е а кц и й . 1 6 1 . К а к из натрий сульфата получить натрий хлорид? К а к осущ ест вить о б р а тн о е п р е в р а щ е н и е ? П риведите х и м и ч е с ки е у р а в н е ния и у ка ж и т е усл овия, пр и ко тор ы х происход ят р е а кц и и . 1 6 2 . Н апиш ите ур а в н е н и я р е а кц и й , с по м о щ ью ко то р ы х м о ж н о осу щ ествить т а к и е п р е в р а щ е н и я: а) Р —х Р20 5 - х Н 3Р 0 4 - х N a 3P 0 4 -> А1Р04; б) Са —►СаО —х Са(ОН )2 —^ Са(1М03)2 —х С э С 0 3; в) Na20 —х N a 2S 0 4 —х NaOH —х N a A I0 2 —x NaCI; r) ZnO - x Z n (N 0 3)2 —x Zn(O H )2 - x K 2Z n 0 2 —x Z n S 0 4. 117

1 6 3 . П одберите ве щ е ства для осущ ествления п р е в р а щ е н и й и н а п и шите со отв е тств ую щ и е х и м и ч е с ки е ур а в н е н и я : а) ам ф отерны й ги д р о кс и д (к а к о с н о в а н и е ) » соль: б ) ам ф отерны й ги д р о кс и д (к а к кисл ота) —> соль; в) соль 1 -•> соль 2 —►соль 3 (все соли о б р а з о в а н ы о д ни м и тем ж е м е та л л и че ски м элем ентом ). 1 6 4 . К а к получить а л ю м и н и й хлорид, испо л ьзуя литий о кси д , а л ю м и ний сульфат, воду и хлорид ную кислоту? С оставьте со отве т ствую щ ие х и м и ч е с ки е у р а в н е н и я и у ка ж и т е усл о ви я, при ко то рых происходят р е а кц и и . 1 6 5 . М о ж н о ли получить а л ю м и н и й хлорид, если им ею тся то л ько а л ю м и н и й сульфат и хл орид ная ки сл о та? О твет аргум е н тир уйте . 1 6 6 . К а ку ю м ассу кал ий сульф ата м о ж н о получить в результате р е а кц и и 1 4 г ка л ий ги д р о кс и д а с н е о б хо д им ы м ко л и че ств о м сульф атной кисл о ты ? 1 6 7 . При в за и м о д е й с тв и и 1 4 .6 г см е си ц и н к а и ц и н к о кс и д а с д о ста то чн ы м ко л и че ств о м хл оридной кислоты вы делилось 2 ,2 4 л водо р од а (н. у.). К а ка я м а сса соли о б р а зо в а л а с ь ? 1 6 8 . При н а гр е в а н и и 4 6 .8 г см еси ка р б о н а т о в К ал ьц ия и М а гн и я с достаточны м ко л ичество м сил иц ий( 1\0 о кси д а вы делилось 11,2 л га з а (н. у.). В ы числите м а с с о в ы е доли си л и ка то в в полученной см еси этих с о е д и н е н и й .

И|

О бобщ ение знаний о в аж н ей ш и х классах неорганических соединений Материал параграфа поможет вам: > > >

целостно в о спр ин ять кл а сси ф и ка ц и ю н е о р га н и че ских вещ еств; о с о з н а т ь с в я з ь м е ж д у ти п о м х и м и ч е с к о го элем ента и типам и е го соединений; вы яснить возм ож ности взаим о пр евр а щ е ний со ед инений о д ного элемента, принадлеж ащ их к разл ичн ы м классам .

В этом параграфе подведены итоги всего того, о чем вы узнали, изучая оксиды, основа118

Схема 10. Классификация важнейших неорганических веществ

ния, кислоты, амфотерные соединения, соли, их химические свойства и взаимопревраще ния. Прочитав его, найдете и новые сведения о названных классах соединений, лучше пойме те связи, существующие между ними. Классификация неорганических веществ. Вам известно, что к неорганическим веществам относят многие сложные вещества (кроме со единений Карбона), а также простые — метал лы и неметаллы (схема 10).

Схема 11. Классификация оксидов по химическим свойствам

Оксиды. — соединения элементов с Оксигеном. Будучи сходными по составу, они отли чаются по химическим свойствам. Сущ е ствуют основные, кислотные и амфотерные оксиды (схема 11). Их называют солеобра зующими оксидам и, так как эти соединения образуют соли в реакциях с кислотами или основаниями (амфотерные оксиды реагиру ют и с кислотами, и с основаниями). Извест ны и несколько несолеобразующих оксидов. Они не вступают в упомянутые реакции.

119

Это интересно

Для Манга на и Ванадия известно по 4 оксида: МпО, Мп20 3, Мп02, Мп20 7; УО, У 20 3,

уо2, у2о5.

120

Существует соответствие между типом и валентностью элемента и типом его оксида. Металлические элементы могут образовы вать не только основные и амфотерные оксиды, но и кислотные. Среди соединений с общей ф ормулой М гО имеются ли ш ь основные оксиды. К оксидам этого типа принадлежит и большинство соединений, состав которых отвечает формуле М О . Оксиды М 20 3 и М 0 2 преимущественно амфотерны, а М 20 5, М О а и М 2От относятся к кислотным оксидам. Некоторые металлические элементы обра зуют оксиды всех трех типов. Так, для Хрома известны основный оксид СгО, амфотерный — Сг20 3 и кислотный — СгОэ. Неметаллические элементы образуют кис лотные и несолеобразующие оксиды. Основные и амфотерные оксиды состоят из ионов, а кислотные — из молекул. О сн ован ия являются соединениями, каж дое из которых образовано тремя элементами — металлическим элементом, Оксигеном и Гидрогеном. В их состав входят ионы М п+ и ОН . Основания делят на растворимые (их называют щ елочами) и нерастворимые. Щ елочи химически активнее нерастворимых оснований, которые, например, не реагируют с солями, некоторыми кислотами и кислот ными оксидами. Большинство щелочей тер мически устойчивы, а все нерастворимые основания при нагревании разлагаются. К ислот ы — соединения, в состав молекул которых входят один или несколько атомов Гидрогена, способных замещаться в химиче ских реакциях на атомы металлических элементов. Часть молекулы кислоты — атом или группу атомов, которые соединены с ато мом (атомами) Гидрогена, — называют кислот ным остатком. Кислоты имеют различный состав, неодинаковую химическую актив ность. Каждый из этих признаков используют для классификации кислот.

Различать щелочи и кислоты в растворах помогают вещества-индикаторы (рис. 44).

Лакмус

Рис. 44. Окраска индикаторов: а — в кислой среде; б — в нейтраль ной среде; в — в щелочной среде

Фенолфталеин

Метилоранж

Универсальный индикатор

Ам ф от ерные ги др ок сиды — соединения с двойственным химическим характером (как и амфотерные оксиды). Они взаимодействуют с кислотами как основания, а со щелочами — как кислоты. Соли — соединения, состоящие из катионов металлических элементов и анионов кислот ных остатков. Соль является продуктом реак ции между веществом с основными свойства ми и веществом с кислотными свойствами. Запомните такие важные закономерности: • если два соединения имеют аналогичные свойства (например, два основных оксида, основный оксид и основание), то они не взаимодействуют друг с другом1; • реакции между соединениями с противопо лож ными свойствами происходят почти всегда; • амфотерные соединения реагируют с соеди нениями как основного, так и кислотного характера. Взаимосвязи между неорганическими веществами. Многие простые вещества — металлы и неметаллы — вступают в реакции с образованием оксидов, щелочей, безоксигеновых кислот, солей (схема 12).

1Исключение — соли. 121

МЕТАЛЛ

Оксид

У Г

Схема 12. Связи между простыми и слож ны м и

веществами

НЕМЕТАЛЛ

-С Щелочь У

Соль

Оксид

С Б езоксигеновая кислота

Почти все кислотные и некоторые основные оксиды взаимодействуют с водой. Продуктом реакции в первом случае является оксигенсодержагцая кислота, а во втором — щ елочь. Реакции между амфотерными оксидами и водой не происходят. Каждое соединение — оксид, основание, амфотерный гидроксид, кислота — в резуль тате определенных реакций превращается в соответствующую соль. А нагреванием оксигенсодержащей кислоты, нерастворимого основания, амфотерного гидроксида, некото рых оксигенсодержащих солей можно п олу чить соответствующий оксид.

В заи м освязи м еж ду вещ ествам и , к отор ы е осн овы ва ю тся на п р о и сх о ж д ен и и вещ еств и и х х и м и ч е ск и х св о й ст в а х , н а з ы в а ю т г е н е т и ч е с к и м и 1с в я з я м и . Изложенное обобщает схема 13.

Схема 13. Генетические связи между важнейшими классами неорганических соединений

Стрелки в схеме указывают на соответствие соединений друг другу и на возможности их взаимопревращений. Схема 13 является упрощенной. В ней, например, отсутствуют безоксигеновые кисло ты, а также несолеобразующие оксиды.

1Термин происходит от греческого слова депов — род, рождение. 122

Пример генетических связей между соеди нениями двух элементов приведен на схеме 14.

Схема 14. Генетические связи между соединениями Феррума(Ш) и Сульфура(УІ)

На основании схемы 13 можно составлять различные генетические «цепочки». Приво дим запись, которая иллюстрирует взаимосвя зи между основанием, солью, кислотой и кислотным оксидом: Са(ОН)2-> СаС03* * Н 2СО;, С02. (Первая стрелка направлена только вправо, поскольку из нерастворимой соли не удается непосредственно получить основание.) Знание и понимание генетических связей между классами неорганических соединений помогают выбирать способы получения окси дов, оснований, кислот, амфотерных гидрок сидов и солей.

ВЫВОДЫ

К неорганическим веществам относят про стые вещества (металлы, неметаллы), а также много сложных веществ, которые делят на клас сы. Важнейшими классами неорганических со единений являются оксиды, основания, кисло ты, амфотерные гидроксиды, соли. По химическим свойствам оксиды делят на солеобразующие и несолеобразующие, а солеоб разующие оксиды — на основные, кислотные и амфотерные. Взаимосвязи между веществами, которые основываются на происхождении веществ и их химических свойствах, называют генетически ми связями. 123

9 1 6 9 . Заполните таблицу, за п и с а в в соответствую щ ие ко л он ки форму лы оксидов: и 20 , Ag20, С120 7, Г ^ О , РЬО, А12Оэ, БЮ2, ZnO, 3 0 2, СЮ 3.

о сн ов н ы е

О ксиды амф отерны е

кисл о тн ы е

1 7 0 . Составьте ге н е ти ч е с ки е схем ы «оксид ги д р о кс и д (о сн о ва н и е , ам ф отерны й ги д р о кси д , кисл о та) —> соль (соли)» для со е д и н е ний Л ития, А лю м иния и Ф осф ора. 1 7 1 . Напишите уравнения р е а кц и й , которы е отвечаю т последней ге н е тической схеме, привед енной в тексте параграф а. К а к пр евр а тить кальций ка р б о н а т в кальций гид роксид с пом ощ ью двух последовательных р е а кц и й ? 1 7 2 . Запиш ите н е скол ько генетических схем, в которы х первы м вещ е ством является металл или неметалл, вторым — соль, а третьим — основание или кислота. 1 7 3 . П одберите д в е соли, ко то р ы е в за и м о д е й с тв у ю т друг с д р уго м с о б р а з о в а н и е м двух н е р а ств о р и м ы х солей. З а п и ш и те со о тв е т ствую щ ее х и м и ч е с ко е ур а в н е н и е . 1 7 4 . К а к осущ ествить следую щ ие п р е в р а щ е н и я: а) Вг 2 —►НВг —» ГУ^Вг 2 —> AgBr; б) А1 ->■ А1С13 -> А1(ОН)3 ->• № 3АЮ 3 -> А!2( 3 0 4)3; в) 3 —> Н23 —> Б 02 —> Б 03 —►Н 2Б 04 —> И а23 0 4 —> В а 3 0 4^ г) г п в —»• гпС1 2—> К 22 п 0 2—» 2 п (ОН )2 -> 2п(Ы 0 3)2 —> гпС О з —>ZnO; д) С и Б 0 4 —> Си(ОН )2 —> СиО —> СиС12 —> Си(Ы 0 3)2 —►С ив? 1 7 5 . Натрий м ассой 1 ,1 5 г по л н о стью п р о р е а ги р о в а л с водой, а п р о д у кт этой р е а кц и и — с сульф атной кисл о той . В ы числить ко л и ч е с тв о вещ ества ки сл о ты , в ступивш е й в о вторую р е а кц и ю . 1 7 6 . Какая масса алюминий оксида образуется при нагревании алю м и ний гид р о ксид а, по л уче н н о го в результате р е а кц и и 2 1 ,3 г алю м иний нитрата с необходим ы м кол ичеством раствора щелочи?

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 2 Решение экспериментальных задач Химия немыслима без изучения веществ, проведения хими ческих реакций. Осуществляя опыты, ученый получает новые знания, подтверждает, уточняет или опровергает известную информацию о веществах и их превращениях. 124

Химический эксперимент — неотъемлемая составная часть изучения химии. Во время его проведения каждый ученик, безусловно, должен соблюдать правила техники безопасности. В 7 классе вы узнали о том, как исследуют вещества, изучают химические реакции. В этой практической работе вам следует осуществить несколько превращений веществ. Выясните: • какие реакции нужно провести и при каких условиях; • какие реактивы необходимы; • помешает ли опыту избыток одного из реагентов или же он обязателен. Во время опыта наблюдайте за веществами и протеканием реакции, делайте необходимые записи в тетради. После завер шения эксперимента проанализируйте полученные результаты и запишите их вместе с выводами. ВАРИАНТ I Осуществление реакций по схеме химических превращений Вам выданы: магний оксид1, хлоридная кислота, растворы натрий хлорида, натрий карбоната и натрий ортофосфата. Задание. Выберите реактивы (из выданных) для схемы пре вращений м ё о 4 м &С1 2 4 м е с о 3 Л М е с 1 2 4 м ёз( Р о 4)2 и осуществите реакции. ВАРИАНТ 11 Составление схемы химических превращений и осуществление реакций Вам выданы: растворы феррум(Ш ) хлорида, натрий гидрок сида и натрий ортофосфата, разбавленная сульфатная кислота. Задание. Предложите схему превращений (разрешается использовать только выданные растворы): А 4 Б Л В 4 Г, где А — феррум(Ш) хлорид, Б, В и Г — другие соединения Феррума. Осуществите реакции.

Перед выполнением химического эксперимента (вариант I или I I ) заполните таблицу: 1Вместо магний оксида можно взять магний гидроксид. 125

Формулы реактивов (в порядке их использования)

веществ в схеме превращений тли

— ~ >

шил

— > '

...

----> '

шли

( --- 'у Ж

• ••

\Я

• ••

•••

тли

При проведении реакции обмена не берите избыток второго реагента, а добавляйте его раствор по каплям. Так можно избе жать побочных реакций между реактивом, который использует ся, и остатком предыдущего. Ваши действия, наблюдения (фиксируйте образование осад ка, его внешний вид, выделение газа, наличие или отсутствие запаха, изменение или появление окраски и т. п.), выводы, а также химические уравнения запишите в таблицу: Последовательность действий

Наблюдения

Опыт 1. Осуществление реакции

...

Вывод ..

... ...

Уравнение реакции:

К ва ри а н ту I: 1 7 7 . К а ко й из вы данны х р е а кт и в о в вы не и с п о л ь зо в а л и ? П очем у? 178. Помешает ли избы ток реактива, взятого для проведения первого превращ ения, протеканию второй реакции? Ответ аргументируйте. 1 7 9 . М о ж н о ли из м а гн и й о кси д а получить м а гн и й ортофосфат, и с п о л ь з о в а в лиш ь один из вы д а н н ы х р е а кти в о в ? П очем у? 1 8 0 . П редлож ите н е с к о л ь к о р е а кти в о в , с по м о щ ью ко тор ы х м агн ий о кс и д м о ж н о н е п о ср е д ств е н н о пр е в р а ти ть в м а гн и й ортоф ос фат. Н апиш ите со отв е тств ую щ и е х и м и ч е с ки е у р а в н е н и я . К в а р и а н ту 11: 1 8 1 . М о ж н о ли и з феррум(Ш ) хлорида н е по ср е д ств е н н о получить со единение, за п и с а н н о е последним в п р ед л о ж ен н о й ва м и схеме п р евр ащ ен и й, если в зя ть лиш ь один и з вы данны х р е а кти в о в ? В случае п о л о ж и те л ьн о го ответа н апиш ите ур а в н е н и е р е а кц и и . 1 8 2 . К а ки е последовательны е превращ ени я м о ж н о осущ ествить при отсутствии раствора: а) натрий ортофосфата; б) щ елочи? Ответы дайте в форме таблицы , пр ивед е н н ой пе рво й на этой странице. 126

9 ^ 9 раздел

Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева. Строение атома Химию невозможно представить без перио дического закона и периодической системы химических элементов. Периодический закон помогает объяснить многие химические фак ты, прогнозировать и обосновывать различные закономерности в мире веществ. Этот закон иллюстрирует периодическая система элемен тов. Она содержит важнейшие сведения о них, служит незаменимым путеводителем по неор ганической химии не только для ученика или студента, но и для опытного химика. Ваше пер вое знакомство с периодической системой состоялось в 7 классе. Вы умеете предсказывать химический характер элемента, максимальное значение его валентности по положению элемента в периодической системе. Отныне сфера ее использования для вас расширится. Благодаря открытиям в области строения атома периодический закон получил мощную теоретическую поддержку. Выяснилось, что химический характер элементов и свойства веществ обусловлены составом электронных оболочек атомов. Вы научились определять количество электронов в атомах и простых ионах, а скоро сможете давать полную харак теристику строения атомов и ионов важней ших элементов. 127

Первы е попытки классиф икации хим ических элем ентов М а те р и а л п а р а гр а ф а п о м о ж е т в а м : >

в ы ясн и ть, к а к р а з в и в а л и с ь пр ед ста вл ен ия о х и м и ч е ско м элементе; > узн а ть о первы х по пы тка х кл а ссиф ика ц ии хим и ч е с ки х элем ентов.

Развитие представлений о химическом элементе. Древнегреческие философы счита ли , что все вещества состоят из четырех элементов-первоначал: огня, воздуха, воды и земли. По их мнению, эти «стихии» являются носителями определенных качеств, присущих веществам, — теплоты, холода, влажности и сухости. Таких взглядов придерживались и алхимики. Термин «элем ен т», приближающийся по смыслу к современному, появился в X V II ст. Английский химик Р. Бойль назвал элементом то, что является пределом разложения веще ства. Если бы мы жили тогда, то сказали бы, что элемент — это атом. Такой смысл вклады вал в слово «элемент» и М. В. Ломоносов. Французский ученый А .-Л . Лавуазье счи тал элементом простое вещество, так как его нельзя разложить на другие вещества. Однако ныне известно, что не разлагаются и немало слож ны х веществ, например оксиды БЮг, А120 3, а простое вещество озон легко превраща ется в другое простое — кислород: 203 = 302. Не различал элемент и простое вещест во также английский ученый Дж. Дальтон. Позже Д. И. Менделеев высказал такую мысль: «Простое тело является веществом... , а под элементом следует понимать составные части простых и сложных т ел». 128

В начале X X ст. ученые установили, что атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. С тех пор элемент стали определять как вид атомов с определенным зарядом ядра. В наше время, характеризуя качественный состав воды, любой из вас скажет, что это вещество образовано двумя видами атомов (с зарядами ядер +1 и + 8 ), или же двумя элементами — Гидрогеном и Оксигеном. Первые попытки классификации химиче ских элементов. В период становления науки химии ученые пытались «навести порядок» среди нескольких десятков известных в то время химических элементов, осуществить их классификацию. К л а с с и ф и к а ц и я — это р а с п р е д е л е н и е о б ъ е к т о в (п р е д м етов , о р г а н и з м о в , я в л е н и й и т. п .) п о г р у п п а м и л и к л а с с а м в за в и с и м о ст и о т и х о б щ и х п р и зн а к ов . В химии существуют классификации элементов, веществ, химических реакций. ► Какие классы неорганических соединений вам известны? Чем соединения одного, выбранного вами, класса отличаются от со единений других классов? Классификацию простых веществ, на осно вании которой позже возникла первая класси фикация химических элементов, предложил в конце X V III ст. А .-Л . Лавуазье. Он разделил простые вещества на металлы и неметаллы (ныне химические элементы делят на метал лические и неметаллические ). Такая класси фикация была слишком общей и несовершен ной. Некоторые простые вещества (например, графит, теллур) по одним свойствам напоми нали металлы , а по другим — неметаллы. Однако разделение простых веществ, а также 5 Химия, 8 кл.

129

химических элементов на две большие группы сыграло важную роль в развитии химии. Среди металлов и среди неметаллов были очень похожие вещества. Ученые объединили их в отдельные группы. Простые вещества каждой группы получили такие общие назва ния: щелочные металлы, щелочноземельные металлы, галогены, инертные газы. Щ елочные металлы. Это — литий, натрий, калий, рубидий, цезий, франций. Они легкие, мягкие (рис. 45), легкоплавкие. В химических реакциях щелочные металлы проявляют высо кую активность (рис. 46). На воздухе в обычных условиях они быстро взаимодействуют с кисло родом, водяным паром, другими веществами. Поэтому их хранят в керосине в герметически закрытых сосудах (рис. 47) или в ампулах, из которых удален воздух. Указанные металлы назвали щелочными, так как они реагируют с водой с образованием щелочей — растворимых оснований с общей формулой МОН.

Рис. 45.

Рис. 46.

Рис. 47.

Натрий м ож н о реза ть ножом

Р еакция цезия с водой

Так хранят щ елочны е металлы

Щ елочноземельные металлы. К этим веще ствам относят магний, кальций, стронций, барий, радий. Они напоминают щелочные металлы, реагируют со многими веществами, но не так энергично. Продуктами их реакций с водой являются щелочи1М (О Н )2. 1 М агн и й ги дрокси д к щ ело ч а м не относят.

130

Это интересно

Инертный газ гелий был сначала обнаружен на Солнце, а на Земле — через 13 лет.

Га л оген ы . Так называют наиболее актив ные неметаллы — фтор, хлор, бром, иод. Эти простые вещества состоят из двухатомных молекул: Г 2, С12, Вг2, 12. В обычных условиях фтор и хлор — газы, бром — жидкость, а иод — твердое вещество. Наиболее активным среди галогенов и других неметаллов является фтор. Галогены реагируют с водородом с обра зованием соединений, имеющих формулы НГ, НС1, НВг, Н1. Эти соединения хорошо растворяются в воде; их водные растворы являются кислотами. Галогены взаимодей ствуют со многими металлами. Продукты таких реакций — соли. Поэтому название «га логен ы » происходит от греческого слова Ьа1ав — соль. И нерт н ы е газы . Эти простые вещества были открыты во второй половине X IX ст. Они получили такое название, поскольку не всту пали в химические реакции. К инертным газам относятся гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон. Они состоят не из молекул, как другие газы, а из атомов. Элементы, от которых происходят рассмот ренные простые вещества, имеют аналогичные общие названия: щелочные элементы , щелоч ноземельные элемент ы, галогены, инертные элементы. В конце 20-х годов X IX ст. немецкий уче ный В. Деберейнер рассортировал часть подоб ных элементов на тройки, или триады: У , N3, К Са, Бг, Ва в, Бе, Те С1, Вг, I Ге, Со, N1 В первой триаде оказались щелочные элементы, во второй — щелочноземельные, в четвертой — галогены. Разместив элементы в триадах по увеличению относительных атом ных масс, Деберейнер обнаружил интересную закономерность: полусумма относительных атомных масс двух крайних в триаде элемен тов приблизительно или точно равнялась 131

относительной атомной массе «центрального» элемента. Покажем это для первой триады: А г(1 л )+ А г(К ) _ 7 + 39 2 3 = А г^ а ) . 2 2 Кроме того, свойства простого вещества и соединений этого элемента оказались «проме жуточными» по сравнению со свойствами про стых веществ и соединений двух соседних элементов. Сформировать триады из остальных элемен тов Деберейнеру не удалось. В 1865 г. английский ученый Дж. Ньюлендс разместил известные в то время элементы в ряд по возрастанию относительных атомных масс: Н У Ве В С N О Р N 3 М д А1 Бі Р Б С1 К Са Сг Т і Мп Бе ... Он заметил, что во многих случаях каждый восьмой элемент подобен элементу, от которо го производился отсчет. Похожими были и соответствующие простые вещества. (Попро буйте в этом убедиться.) Такая особенность свойственна звуковому ряду в музыке: каж дые первая и восьмая ноты имеют одинаковые названия и сходное звучание. Закономерность, обнаруженную Ньюлендсом, назвали правилом октав. Она соблюдалась в начале ряда элементов, но далее нарушалась (рис. 48). Например, Хром в значительной мере отличался от А лю м иния, а Манган и Феррум были совсем не похожи на Фосфор и Сульфур ГмаМёА1^-. соответственно. Число 8, как свидетель ствует история химии, считалось в то т _ Мп Ре К Са %* время магическим, но после выяснения Сг к строения атома получи ло научное обоснование. Рис. 4 8 . Б олее удачную попытку классификации «Октавы» химических элементов осуществил в 1864 г. хим ических немецкий химик Л . Мейер. Он предлож ил элем ентов таблицу, в которой разместил элементы по возрастанию относительных атомных масс и в соответствии с их валентностью. Однако из-за 132

того что значения атомных масс и валентности были для некоторых элементов ошибочными или вообще неизвестными, не все элементы вошли в созданную Мейером таблицу. Описанные попытки ученых объединить химические элементы послужили основой для их общей классификации. Вскоре Д. И. Мен делеев сообщил о созданной им периодической системе химических элементов.

выводы Представления о химическом элементе изме нялись с развитием науки. Ранее не различали химический элемент и простое вещество. Были известны несколько групп подобных простых веществ: щелочные металлы, щелочноземель ные металлы, галогены. Позже были открыты инертные газы. Первые попытки классификации химиче ских элементов охватывали лишь их часть и не имели серьезного научного обоснования.

1 8 3 . Что р аньш е считали х и м и ч е с ки м эл ем е нтом и к а к опред ел яю т е го те п ер ь? 1 84 . В ы б е ри те п р и з н а к и , ко то р ы е бы ли и с п о л ь зо в а н ы А .-Л. Л а вуазье, В. Д еб е р е й н е р о м , Д ж . Н ью лендсом и Л. М ейером для кл ассиф ика ц ии просты х вещ еств и хим и че ски х элем ентов: с в о й ства просты х вещ еств, распр о стра н е нн о сть эл ем ентов в п р и р о де, строение просты х вещ еств, со став ха ра кте рн ы х соединений, зн а ч е н и я относительны х атом ны х м асс. 185. О характеризуйте р азм е щ е н ие элем ентов ка ж д ой триады В. Д еберейнера в перио д иче ской системе. 1 8 6 . С опоставьте отн осите л ьн ую а том ную м ассу Б ро м а с полусум м ой о тн осител ьны х а то м н ы х м асс Хлора и Иода. 1 8 7 . С р а вн и те ряд э л е м е н то в Д ж . Н ью л ен д са с их п о сл е д о в а те л ь н о сть ю в п е р и о д и ч е с к о й си с те м е Д . И. М е н д е л е е в а и найд ите о тл ичия. 133

Периодический за ко н М а те р и а л п а р а гр а ф а п о м о ж е т в а м : >

представить, к а к был о ткры т Д. И. М енделеевы м пе р и о д и че ски й за ко н ; > понять со д ер ж а н и е п е р и о д и че ско го за ко н а ; > вы яснить, к а к естественны й ряд элем ентов был п р е о б р а зо в а н в пе рио д иче скую систему.

Рис. 49. Начало ряда элем ентов, составленного М енделеевы м 1 н

Ве 9

Создание периодической системы химиче ских элементов. Проблема классификации химических элементов увлекла в 60-е годы X IX ст. Д. И. Менделеева. Он искал законо мерности и взаимосвязи, которые бы охваты вали все элементы, а не только их часть. В то время было известно 63 химических элемента. На каждый из них ученый завел «досье» — карточку, в которую записал отно сительную атомную массу элемента, значение его валентности, сведения о простом веществе и соединениях. Менделеев считал важнейшей характери стикой элемента массу его атома. Разместив элементы в ряд по увеличению относительных атомных масс (рис. 49), ученый (как и раньше Ньюлендс) заметил, что через определенные интервалы в нем встречаются элементы, кото рые образуют сходные простые вещества и со единения. В 11

С 12

Ыа

А1 24

* Под символом элемента — его относительная атомная масса. На более темных карточках — металлические элементы.

Ряд начинается с неметаллического элемен та Гидрогена. За ним следуют металлические 1 И н ертн ы е газы б ы ли отк р ы ты позж е.

134

Рис. 50. Д ва соседних фрагмента ряда элем ентов

элементы Литий и Бериллий, затем — неме таллические элементы от Бора до Ф луора, далее — снова металлические элементы и т. д. Таким образом, характ ер элементов в ряду периодически повторяется. Аналогичные вы воды можно сделать относительно максималь ных значений валентности элементов, состава и химических свойств высших оксидов и т. п. Менделеев разделил составленный ряд на несколько фрагментов (рис. 50), каждый из которых начинался с типичного металлическо го элемента (щелочного) и заканчивался типич ным неметаллическим элементом (галогеном). При этом ученый обнаружил новую закономер ность: в каждом фрагменте характер элемен тов, свойства их простых веществ, а также сост ав и свойст ва соединений изменяют ся постепенно.

Ве 9

N 14

и2о

ВеО

в 2о3

С 02

м2о5

Ыа

~М&

23 Ыа20

А1 27

Р 31

1^0

А120 3

БЮ2

Р 20 5

О 16

Р 19

Б 32 Б03

С1 3 5 ,5 С120 7

Рассмотрим один из фрагментов ряда элементов (рис. 51). На первом месте в нем находится щелочной элемент Натрий. Он одновалентен, образует основный оксид N320 и щелочь N 8 0 ^ За Натрием следует двухва лентный Магний, от которого происходят основный оксид М&0 и малорастворимое осно вание М ё(О Н )2. Третье место занимает трехва лентный Алюминий, оксид и гидроксид кото рого амфотерны. Следующ ие элементы — неметаллические: Силиций, Фосфор, Сульфур и Хлор. Максимальные значения валентности этих элементов возрастают от 4 до 7, а кислот ные свойства оксидов и соответствующих кислот усиливаются. 135

Усиление металлического характера элементов Ыа

Мй

1 Ыа20

ЫаОН

м ^онь

А1 III А120 з А1(0Н)3

Р IV 5Ю 2 Н 25Ю 3

Р205

н 3ро4

Б VI 503 Н23 0 4

С1 VII С120 7 НС104

Усиление неметаллического характера элементов

Рис. 51.

Фрагмент ряда элементов

Е каж дом фрагменте м ет аллический характ ер элем ент ов усиливает ся справа налево, а неметаллический характер — слева направо. После того как ряд элементов был разделен на фрагменты, Менделеев разместил второй фрагмент под первым, третий — под вторым и т. д. Получилась таблица, а в ее столбцах ока зались подобные элементы: щелочные, щелоч ноземельные, галогены и др. Так в 1869 г. была создана периодическая система химиче с к и х элемент ов. Подробно о ней будет идти речь в следующем параграфе. Д. И . Менделеев назвал ряд элементов, составленный по возрастанию атомных масс, ест ест венны м рядом , т. е. таким, который существует независимо от человека в самой природе. Периодический закон. Создав периодичес кую систему химических элементов, Д. И. Мен делеев в 1871 г. сформулировал закон перио дичности, или периодический закон :

св о й ст в а х и м и ч е с к и х э л е м е н т о в , п р о с т ы х в ещ ест в , а такж е состав и свой ства соеди н ен и й н а ход я тся в п ериодической зав и си м ости от зн ачен и й атом н ы х м асс. П ериодичност ь в химии — это повторение (но не копирование) химического характера элементов, особенностей строения атомов, 136

состава, строения и свойств веществ через определенное количество элементов в их есте ственном ряду. Во времена Менделеева уровень развития науки не бы л достаточно высоким. Поэтому ученому не удалось раскрыть причину перио дичности. Но он верил, что это обязательно про изойдет. Ныне общеизвестно, что периодич ность в мире химических элементов обусловле на электронным строением атомов. М енделеев не ограничился фактическим материалом, которым располагала хим иче ская наука. В случае нарушения элементом общей закономерности в естественном ряду он советовал химикам проверить значение его атомной массы. Ученый предсказал не только открытие новых элементов, но и значения их атомных масс, свойства простых веществ, существование соединений в природе и т. п. Следует заметить, что положение нескольких элементов в естественном ряду не соответствует возрастанию относительных атомных масс. Мен делеев разместил, например, Теллур перед Иодом, хотя масса атома Теллура немного боль ше. Ученый принял во внимание, что простое вещество иод является более активным неметал лом, чем простое вещество теллур, тоже неме талл. Значит, неметаллический характер сильнее выражен у элемента Иода, и его место — после Теллура.

Это интересно

Периодичес кую систему еще называют «великим обобщением » элементов.

В своей периодической системе Д. И. Менде леев оставил пустые клетки и считал, что они должны принадлежать еще не открытым, но существующим в природе элементам. Вскоре был открыт первый элемент, предсказанный Менделеевым (его назвали Галлием), затем — второй (Скандий), третий (Германий). Это было триумфом периодического закона, кото рый проявил не только обобшающую, но и предсказательную силу. 137

П ериодический закон — один из основны х за к он ов природы. Он раскрывает единство химических элементов и взаимосвязь между ними. Изучая химию, вы будете часто обра щаться к этому закону, находить новые факты, которые подтверждают его, и, пользу ясь им, предсказывать химические свойства простых и сложных веществ, возможности их химических превращений.

выводы Расположив химические элементы в ряд по возрастанию относительных атомных масс, Д. И. Менделеев открыл периодический закон. Ученый сформулировал его так: свойства хими ческих элементов, простых веществ, а также состав и свойства соединений находятся в перио дической зависимости от значений атомных масс. Периодический закон — один из основных законов природы, который раскрывает един ство химических элементов и взаимосвязь между ними.

? 1 8 8 . К а к вы п о н и м а е те з н а ч е н и е сл о ва «периодичность»? К ка ки м и з м е н е н и я м в п р и р о д е п р и м е н и м о это с л о в о ? С опоставьте е го со с л о ва м и «непреры вность», «постепенность». 1 8 9 . Р азм е стите эл ем енты F, С, В. О, N в п о р я д ке о сл аб л е ни я их н е м е та л л и ч е ско го х а р а кте р а . 1 9 0 . У к а к о г о и з э л е м е н то в — К ал ия или К а л ьц и я. Б ериллия или Л ития — м е та л л и ч е ски й х а р а кте р в ы р а ж е н б ол ее я р ко ? К а ко й и з со отве тствую щ их м ета л л ов д о л ж е н бы ть более а кт и в н ы м в х и м и ч е с ки х р е а кц и я х ? 1 9 1 . И спользуя п е р и о д и ч е скую систему, с ка ж и те , на с к о л ь к о больш е эл ем ентов и зв е с тн о се го д ня, чем бы ло и зв е с тн о М енделееву. 1 9 2 . Н айдите в п е р и о д и ч е с ко й си сте м е н е с ко л ь ко п а р э л ем е н тов, в ка ж д о й и з ко тор ы х э л е м е н т с б ол ьш им п о р я д ко в ы м но м е р ом им еет м еньш ую о тн о си те л ьн ую а то м н ую массу. 138

П ериодическая систем а хим ических элем ентов М а те р и а л п а р а гр а ф а п о м о ж е т в а м : >

по л ьзова ться р азн ы м и в а риа н та м и п е рио д иче ско й систем ы ; >• получать ин ф о р м а ц ию о хи м иче ских элементах и з пе р и о д и че ско й систем ы ; > п р е д ска зы в а ть ха ра кте р элем ента, исходя из е го р азм е щ е н ия в п е рио д иче ской системе.

Это интер есно

Известны несколько сотен вариантов и разновид ностей перио дической системы химических элементов.

Периодическая система — источник сведе ний о химических элементах. Периодическая система химических элементов является не отъемлемым атрибутом школьного химическо го кабинета. Ее можно найти в любом учебнике по химии. Периодическую систему используют ученики, студенты, преподаватели, научные работники, ведь она содержит важнейшие све дения о химических элементах. Зная положе ние в ней элемента, можно охарактеризовать строение его атома, предсказать свойства про стого вещества, различных соединений. Периодическая система имеет форму табли цы. Поэтому ее называют т абличным выра жением периодического закона. Существует два основных варианта системы — короткий (форзац I) и длинный (приложение). Короткий вариант используют чаще; он более удобный и компактный. Каждый элемент находится в определенной клетке периодической системы (исключение-Гидроген). Вам известно, что в ней записана такая информация: • символ элемента; • его порядковый номер; • название элемента; • значение относительной атомной массы; • название простого вещества, если оно отли чается от названия элемента. 139

► Какие сведения можно получить из перио дической системы об элементе № 9? Добавим, что в клетках короткого варианта периодической системы содержатся данные об электронном строении атомов (оно будет рассмотрено позже). В клетках длинного варианта системы при ведены только порядковые номера, символы и названия элементов, а также названия некото рых простых веществ. Строение периодической системы. Состав ными частями периодической системы явля ются периоды и группы. П е р и о д — это ф р а гм е н т е с т е с т в е н н о г о р я д а э л е м е н т о в о т щ е л о ч н о г о э л е м е н т а 1д о и н е р т н о го . Каждый вариант периодической системы имеет семь периодов. В длинном варианте периодом является одна строка системы, а в коротком — одна или две соседние строки. Последний период содержит пустые клетки (соответствующие элементы еще не открыты). Первый период (в нем имеется 2 элемента), второй и третий (содержат по 8 элементов) называют м алыми периодам и, а четвертый, пятый (по 18 элементов), шестой (32 элемен та) и седьмой (в нем пока 29 элем ентов) — большими. Периоды нумеруют арабскими цифрами. Груп п а — сто лб и к элем ен тов в коротком варианте п ериодической си стем ы и ли два ст о лб и к а в д ли н н о м варианте. Периодическая система содержит восемь групп элементов. И х принято нумеровать рим скими цифрами. Каждая группа состоит из 1Первый период начинается с Гидрогена. 140

двух подгрупп — главной и побочной. Главные подгруппы обозначены в периодической систе ме буквой а, а побочные — буквой Ъ. В корот ком варианте системы символы элементов главных подгрупп смещены влево от центра клеток, а символы элементов побочных под групп — вправо. Главная подгруппа содержит больше элементов, чем побочная. Распознать подгруппы можно по цвету клеток: клетки элементов главных подгрупп окрашены в розо вый или желтый цвет, а элементов побочных подгрупп — в синий или зеленый. Фрагменты двух вариантов периодической системы с указанием периодов, групп и под групп представлены на рис. 52.

Рис. 52. Периоды, группы и подгруппы в фрагментах длинного(а) и короткого (б) вариантов периодичес кой системы

. главные подгруппы побочные подгруппы ^\Груп лы

1а

Па

ПериодьГ^-^ і

2 3

и N 8

Мк

Са

ит

гь

г vь

II»

пь

Ве 8с

Си

Ті

ГПд

ГУа

В АІ

С 8І Се

Ъи ва

Уа

V Iа

У П а \ЛПа

8 8е

Ав

Не

СІ

N6 А г

Вг

Кг

3 главные подгруппы

-^Грушш ПериодьГ'~-~~^ 1 2 3

а I Ь а II

Ь о IV

В А1

С ві

Н Ве

1Л Кл

кь

Св

Ь а Ш

ме

Са

вс

вг

А*?

У СЛ

ІП

не

Т1

Ва Аи

Ті СтЄ

Са

Си

гг вп Ш

1л

Гг Ка ииЬ ___ *££_

РЬ Ас иид

побочные подгруппы 141

► Назовите элементы I и IV групп, которые принадлежат: а) главным подгруппам; б) побочным подгруппам. В нижней части короткого и длинного вари антов периодической системы имеются два отдельных ряда, в каждом из которых находит ся 14 элементов. В верхнем ряду размещены элементы с общим названием «лантаноиды» (т. е. похожие на Лантан), а в нижнем — «акти ноиды » (похожие на Актиний). Большинство этих элементов были открыты в XX ст. Они входят в естественный ряд элементов и принадлежат побочной подгруппе III группы. Лантаноиды — элементы 6-го периода, актиноиды — 7-го. Для удобства (чтобы не делить клетки Лантана и Актиния на 15 частей для размещения в них Лантана и лантаноидов, Актиния и актиноидов) эти элементы вынесены за пределы основного поля периодической системы.

Зная положение элемента в периодической системе, можно делать различные прогнозы. Один из них касается химического характера элемента. В 7 классе вы узнали, что в длинном варианте системы проведена ломаная линия, слева и ниже которой находятся металличе ские элементы, а справа и выше — неметалли ческие. Некоторые элементы, размещенные около этой линии (Ие, БЬ, Ро), образуют про стые вещества, которые по одним свойствам напоминают металлы, а по другим — неметал лы. Добавим, что в главных подгруппах содер жатся как металлические, так и неметалличе ские элементы, а в побочных подгруппах — только металлические элементы1. ► Элементы каких типов находятся в под группах 1а, I Ь, 1Уа, ГУЬ? 1 Э лем ен ты п обочн ы х п од гр уп п назы ваю т переходны м и .

142

Наиболее сходны друг с другом элементы одной подгруппы, а между элементами глав ной и побочной подгрупп каждой группы нередко существуют заметные различия.

ВЫВОДЫ

Периодическая система химических элемен тов является табличным выражением периоди ческого закона. Существуют два варианта периодической системы — короткий и длинный. Каждый вари ант системы состоит из периодов и групп, а каж дая группа имеет главную и побочную подгруппы. Период — это фрагмент естественного ряда элементов. Он начинается со щелочного элемен та, а завершается инертным. Группа — столбик элементов в коротком варианте периодической системы или два столбика в длинном варианте. В группах(подгруппах) находятся подобные элементы. Ломаная линия в длинном варианте периоди ческой системы делит ее на две части. Слева и ниже этой линии размещены металлические элементы, а справа и выше — неметаллические элементы.

ш 1 9 3 . К а ку ю ч а сть п е р и о д и ч е с к о й си сте м ы н а з ы в а ю т п е р и о д о м ? С ко л ь ко п е р и о д о в сущ е ствуе т? С р а вн и те их по ко л и ч е ств у э л ем е н тов. 1 9 4 . Что н а з ы в а ю т гр уп п о й х и м и ч е с ки х эл е м е н то в ? С ко л ь ко гр уп п в п е р и о д и ч е с ко й си сте м е ? С ко л ь ко п о д гр уп п им еется в ка ж д о й гр у п п е ? К а к их н а з ы в а ю т и р азл и ча ю т? 1 9 5 . В к а к о й гр у п п е п е р и о д и ч е с ко й си сте м ы со д е р ж и тся больш е в с е го эл е м е н то в ? 1 9 6 . Н а зо в и те эл ем енты , ко т о р ы е р а зм е щ е н ы : а) во 2 -м пе рио д е , V гр уп п е ; б) в 5-м п ериод е, IV гр уп п е , гл а в н о й п о д гр уп п е ; 143

в) в 4 -м пе рио д е , VII гр уппе , п о б о ч н о й по д гр уп п е ; г) в 6 -м пе рио д е , VIII гр уп п е , п о б о ч н о й по д гр уп п е . Для ка ж д о го эл ем е н та у к а ж и т е п о р я д ко в ы й н о м е р . 1 9 7 . Среди п р и в е д е н н ы х чисе л найдите т а ки е , ко то р ы е со о тв е тств у ют п о р я д ко в ы м н о м е р а м м е та л л и че ски х и н е м е та л л и че ски х эл е м е н то в : 1, 6 , 1 6 , 3 0 , 3 5 , 5 8 , 9 2 , 1 1 0 . 1 9 8 . Исходя и з р а зм е щ е н и я в п е р и о д и ч е с ко й с и сте м е Б р о м а , М а г ния, М а н га н а , С елена, у ка ж и те , м е та л л и че ски м или не м е та л л и ч е с ки м явл яется ка ж д ы й элем ент. 1 9 9 . Н а зо в и те п о д в а эл е м е н та , н а и б о л е е сход ны х с т а к и м и э л е м е н та м и: а) С тр о нц ие м ; б) Н и о б и е м ; в) С таннум ом ; г) Х лором .

С троение атом а

Материал параграфа поможет вам:

>■ выяснить строение атома и состав его ядра; > определять ко л ичество ча стиц к а ж д о го типа в а том ах р азл и чн ы х элем ентов.

Рис. 53.

Модель атома Гидрогена — элемента № 1

144

Состав атома. Представления древних философов об атоме как о мельчайшей одно родной и неделимой частице не м енялись в течение многих столетий. Однако во второй половине X IX ст. ученые обнаружили, что в атоме имеются еще более мелкие частицы. И з курса химии 7 класса вам известно: • атом — это наименьшая электронейтральная частица вещества, которая состоит из полож ительно заряженно го ядра и движ ущ ихся вокруг него отрицательно заряж енных электро нов (рис. 53); • величина заряда ядра и количество электронов в атоме совпадают с поряд ковым номером элемента; • ядро в десятки тысяч раз меньше атома.

Схема 15. Состав атома

Дальнейшие исследования строения атома в начале X X ст. показали, что в ядре содержат ся частицы двух типов — прот оны 1и нейтро ны1 2. Их общее название — нуклоны 3. Протон имеет такой же заряд по величине, что и электрон, но положительный: +1. Коли чество протонов определяет заряд ядра атома; оно равно количеству электронов. Нейтрон — незаряженная частица. Протон обозначают р +, а нейтрон — п°. Д ля характеристики частиц, которые вхо дят в состав атомов, как и для самих атомов, используют не абсолютные, а относительные массы. Массы протона и нейтрона приблизи тельно одинаковы и почти в 2000 раз превы шают массу электрона. Значения относитель ных масс протона и нейтрона равны единице. Итак, в атоме находятся частицы трех типов — с положительным, отрицательным зарядами, а также такие, которые заряда не имеют (схема 15).

Электроны притягиваются к ядру атома так называемыми электростатическими силами, однако не падают на него, поскольку движут ся с большой скоростью. Протоны и нейтроны удерживаются вместе в ядре благодаря дей ствию особых, «ядерны х», сил. Природу этих сил полностью выяснить пока не удалось. 1 Т ер м и н прои сходи т от гр еч еск ого слова protos — первы й, про стейш ий. 2 Терм ин происходит от лати н ск ого слова neutrum — ни то ни другое. 3 Т ер м и н прои сходи т от ла т и н ск о го слов а nucleus — ядро.

145

Протонное и нуклонное числа. Количество протонов в атоме называют протонным числом. Его указывают нижним индексом слева от сим вола элемента: 4Ве. ► Какие значения протонных чисел имеют элементы Ф луор и Натрий? Учитывая строение атома, можно дать такое определение химического элемента: х и м и ч е с к и й э л е м е н т — ви д а т о м о в с о п р е д е л е н н ы м протонны м чи слом .

Нуклонное число Протонное число

Рис. 5 4 М одель атома Бериллия

Суммарное количество протонов и ней тронов в атоме называют нуклонны м числом. Его обозначают буквой А , а зна чение записывают верхним индексом слева от символа элемента: !,Ве. Обозначение атома с нуклонным и про тонным числами: 4Ве. Количество нейтронов равно разности между нуклонным и протонным числа ми. Этих частиц в атоме Б ериллия на считывается 9 —4 = 5 (рис. 54). Существует двадцать элементов, у каждого из которых все атомы имеют одинаковые нуклонны е числа (они почти совпадают с относительными атомными массами, приведенными в таблице Д. И. Менделеева): Ве, Б, N8, А1, Р, Бс, Мп, Со, Ав, У, N5, КЬ, I, Се, Рг, ТЬ, Но, Тш, Аи, Вь Определите количество частиц каждого типа в атомах Флуора и Натрия.

Для 20 элементов А «А г

146

Остальные элементы имеют атомы с разны ми нуклонными числами. Причину этого рас смотрим в следующем параграфе. Изложенное выше можно записать с помо щью формул.

• Поскольку атом в целом электронейтрален, то в нем содержится одинаковое количество протонов и электронов, равное порядковому номеру элемента: = АГ(е ) = количество количество протонов электронов

порядковый номер элемента

• Количество нейтронов в любом атоме равно разности между нуклонным числом и коли чеством протонов (электронов) или поряд ковым номером элемента: N (n 0) = A - N < J ) k) = A - N ( e ) = А - г. количество нейтронов

нуклонное порядковый число номер элемента

• Количество нейтронов в атомах двадцати указанных элементов можно вычислять, используя значение относительных атом ных масс: Щ п °) количество нейтронов

а г

относительная атомная масса

г. порядковый номер элемента

Простые ионы элементов содержат столько протонов и нейтронов, сколько и атомы, но отличаются от них количеством электронов. Так, в анионе Е содержится на 1 электрон больше, чем в атоме Е, а в катионе Ве2' — на 2 электрона меньше, чем в атоме Ве. ► Сколько протонов, нейтронов и электронов в ионах А13' и I ? Ядра с большим количеством протонов (свыше 83) неустойчивы. Они распадаются на меньшие ядра, отдельные частицы. Этот про Неустойчивые ядра также цесс называют радиоактивным распадом. Его имеются изучают на уроках физики. Неустойчивость в атомах больших ядер — причина того, что в природе Технеция нет элементов с порядковыми номерами, пре (элемент вышающими 92. Их атомы получены в лабора 5-го периода) ториях с использованием уникального обору и Прометия дования, которое дает возможность фиксиро (элемент вать частицы, существующие долю секунды. 6го периода).

Это интересно

147

выводы А то м состои т из ядра и электронов. Я др о им еет полож и тельн ы й заряд; в нем со д ер ж атся прото н ы , н ей тр о н ы и со ср ед о то ч ен а почти в с я м а с са атом а. К оли ч ество протонов и электронов в атом е одинаково. Оно со вп ад ает с порядковы м номером э л е м е н т а . К о л и ч е с т в о н е й тр о н о в в а т о м е (дл я 2 0 элем ен тов) равн о р азн ости м еж д у отн о си тел ь ной ато м н ой м ассо й и кол и ч ество м протон ов. П р о сты е к а ти о н ы со д ер ж а т м ен ьш е эл е к т р о н о в , ч ем с о о т в е т с т в у ю щ и е а т о м ы , а п р о с т ы е ан и о н ы — больш е. Я д р а а то м о в , в к о т о р ы х к о л и ч ество п ротон ов п р е в ы ш а е т 83, н еусто й ч и в ы . О ни п р ете р п ев а ю т р ад и о а к ти в н ы й расп ад .

9 ■ 2 0 0 . И з к а к и х ч а сти ц со стои т а том ? Чем о ни отличаю тся д р уг от д р уга ? К а к о в со ста в а т о м н о го ядра? 2 0 1 . К а к и х ч а с ти ц в л ю б о м атом е о д и н а ко в о е ко л и ч е ств о ? 2 0 2 . Сущ ествую т ли элем енты , в а том ах ко то р ы х нет: а) пр о то н о в; б )н е й т р о н о в ? 2 0 3 . З а п о л н и те пустые кл е тки в таб ли це: Элемент н а зв а си м в ол порядковы й номер ние (п р о то н н о е число) Ц езий

К ол и че ств о в атом е н укл о н п р о ное то н о в число

э л е ктр о н е й тр о нов но в

75 83 2 0 4 . С равните ко л и ч е ств о ча сти ц ка ж д о го типа в ио н ах Ц а+ и Р3 . 2 0 5 . У ка ж и те элемент, атом ко то р о го и м ее т наиб ол ьш ее ко л и че ств о эл е ктр о н о в : Бь В, N. СК 2 0 6 . Найдите элемент, атом ко то р о го им ее т н а и м е н ь ш е е ко л и че ств о пр о то н о в: С, К, Аг. 2 0 7 . У ка ж и те элемент, атом ко то р о го и м ее т наиб ол ьш ее ко л и че ств о н е й тр о н о в : Бс, А б , М п . 148

2 0 8 . С ко л ь ко э л е кт р о н о в в т а к и х ионах: Б2-, Н+, Н , 1\/^2+? 2 0 9 . О пределите в сл о ж н ы х ио н а х ОН“ и Г\11-Ц ко л и ч е ств о : а) п р о то н о в; б) э л е ктр о н о в . 2 1 0 . З апиш ите сим вол ы эл е м е н то в Кобальта, Аурума и Висмута в м е сте с соотве тствую щ им и п р о то н н ы м и и н укл о н ны м и числам и.

Изотопы М а те р и а л п а р а гр а ф а п о м о ж е т в а м : > >

вы яснить, что та ко е изо то пы и нуклиды; в ы чи сл я ть о тн о си те л ь н ую а то м н у ю м ассу элем ента, зн а я е го изо то пн ы й состав; > убедиться в том, что понятия «относительная атом ная (м олекулярная, ф ормульная) масса» и «моль» требую т уточнения; > вы яснить, что та ко е радионуклиды и к а к они влияю т на ж и в ы е о р га н и зм ы .

Изотопы. Вы знаете, что атомы состоят из частиц трех типов — протонов, нейтронов и электронов. Атомы одного элемента содержат одинаковое количество протонов и электро нов, но не всегда — одинаковое количество нейтронов. В иды а т о м о в о д н о го э л е м е н т а с р а з н ы м к о л и ч е с т в о м н ей трон ов н а зы в а ю т и з о т о п а м и 1. Д ля элемента Гидрогена известны три изото па. Каждый из них имеет свое название и обо значение (рис. 55). В природе больше всего ато мов Гидрогена, ядра которых состоят только из протона. Среди нескольких тысяч таких ато мов встречается атом, в ядре которого, кроме 1Термин происходит от греческих слов isos — одинаковый и topos — место. Изотопы «принадлежат» одной клетке периодической системы. 149

І Рис. 55. Изотопы Гидрогена

Проти й Н

Дейтерий

Тритий Т

протона, есть еще и нейтрон. Эти два вида ато мов — Протий и Дейтерий — являются природ ными изотопами Гидрогена. Физикам удалось получить в лаборатории атомы этого элемента с двумя нейтронами в ядре. Такой, искусствен ный, вид атомов Гидрогена назвали Тритием. Нуклонные числа (суммарные количества протонов и нейтронов) для изотопов Гидрогена составляют 1, 2 и 3. Таким образом, изотопы — это виды атомов одного элемента с разными нуклонными числами. Вещества, образованные изотопами элемен та, немного различаются по физическим свой ствам. Плотность «тяжелой» воды ( 0 20 ) состав ляет 1,104 г/см3, а температура кипения (при нормальном давлении) — +101,43 °С. Для обыч ной воды (Н20 ) эти физические характеристики вам хорошо известны — 1,000 г/см3 и +100 °С. Химические свойства обоих веществ одинако вы. « Тяжелая» вода, как и обычная, взаимодей ствует с натрием, кальций оксидом, фосфор(\/) оксидом, другими соединениями.

В природе многие элементы представлены несколькими видами атомов, т. е. изотопами, а для двадцати элементов, упомянутых в преды дущем параграфе, существует лишь по одному виду атомов (атомы каждого из этих элемен тов абсолютно одинаковы). Изотопы обозначают с помощью символов или названий элементов с обязательным ука занием нуклонного числа. Его записывают верхним индексом слева от символа элемента 150

( ‘Н, 2Н, 34 Н ) или после названия элемента через дефис (Хлор-35, Хлор-37). Часто используют полные обозначения изотопов — ,'Н, ^Н, :,Н, !3|С1, ,3|С1 (нижний индекс — заряд ядра, или протонное число). К а к о й -л и б о вид а то м о в н а з ы в а ю т н у к л и д о м . Нуклиды *Н, ,2С, 40К

Изотопы ’ Н, 2Н, :‘Н

Нуклидами являются виды атомов различ ных элементов: 'Н, 12С, О, 23Ыа, 238и , 13С, 35С1, 37С1 и др. Общее число известных в настоящее время нуклидов составляет почти 2300. И зот оп ы — эт о нуклиды (в и д ы а т ом ов) одного элемента: *Н, 2Н, 3Н — изотопы Гидрогена; 12С, 13С — изотопы Карбона. Вычисление относительных атомных масс элементов, имеющих изотопы. В природе существует два нуклида Хлора. Д ля одного вида атомов нуклонное число (относительная атомная масса) равно 35, для другого — 37. Ученые обнаружили, что легкие атомы Хлора составляют три четверти от общего количества атомов этого элемента, а тяж елы е атомы — одну четверть (рис. 56). По этим данным можно рассчитать относительную атомную массу Хлора: А Г(С1) =

35 +

* 37 = 35,5.

Рис. 5С Изотопы элемента Хлора

Числа ~3 т- и —1 тназывают атомными долями 4 4 изотопов. Они представляют собой отношения количеств атомов каждого нуклида к общему 151

Это и н те р е с н о

Бром, как и Хлор, имеет два природных нуклида — 79Вг и 81Вг. Их атомные доли почти одинаковы (50,5 и 49,5 % ).

количеству атомов элемента. Приведенные атомные доли для изотопов Х лора можно выразить и в процентах: 75 % , 25 % . Атом ную долю обозначают греческой буквой х (читается «х и »). Зная атомные доли изотопов элемента (хи Хг и т- Д-) в их природ ной смеси и соответствующие нуклонные числа (А ,, А 2и т . д .), можно вычислить относи тельную атомную массу элемента: А г = Хл ■А1 + Х 2 - Л 2 + . . . + Х п ' А п -

Заметное отклонение значения относитель ной атомной массы элемента от целого числа указывает на существование изотопов. Так, Купрум (А г = 63,546) имеет два изотопа (63Си и 65Си), Цинк (Аг = 65,38) — пять (642п, 6^ п , 67Zn, 68гп и 70гп ), Станнум (А г = 118,71) — десять. Уточнение важных химических понятий. Из курса химии 7 класса вам известно, что относительные атомная, молекулярная, фор мульная массы являются отношениями масс атома, м олекулы , формульной единицы к 1/12 массы атома Карбона. Однако сущ е ствующие в природе атомы этого элемента неодинаковы. Карбон имеет два нуклида — ,2С (атомов этого вида — 98,89 % от общего количества атомов Карбона) и 13С. В качестве атомной единицы массы выбрана 1/12 массы атома Карбона-12. Приводим уточненные опре деления упомянутых физических величин:

отн оси тельн ы е атом н ая, м о лек уля р н а я , ф ор м ульн ая м а ссы я в л я ю т с я о т н о ш е н и я м и м а с с ы а т о м а , м о л е к у л ы , ф о р м у л ь н о й ед и н и ц ы к 1/12 м а с с ы а т о м а ,2С. Одна из соответствующих расчетных фор мул имеет такой вид: та(Е ) АЛЕ) = т а( 12С) 12

Уточняем также определение измерения количества вещества: 152

единицы

м о л ь — это п о р ц и я вещ еств а , к о т о р а я со д ер ж и т с т о л ь к о ф о р м у л ь н ы х ед и н и ц (т . е. а т о м о в , м о л е к у л , со ч ет а н и й а т о м о в и л и и о н о в ), с к о л ь к о а т о м о в с о д е р ж и т с я в 12 г н у к л и д а 12С. Радионуклиды. Многие нуклиды являются неустойчивыми; ядра соответствующих ато мов самопроизвольно распадаются на меньшие ядра, отдельные частицы (рис. 57). Такое явле ние называют радиоактивным распадом (о нем упоминалось в предыдущем параграфе). В связи с этим нуклиды делят на стабильные и радиоактивные. Последние называют радио нуклидами.

Рис. 57. Распад ядра нуклида

Это и н т е р е с н о

По содержа нию радио нуклида 14С в ископаемых останках растений, животных, первобытного человека определяют их возраст.

Д ля большинства элементов известны изо топы обоих типов. Например, нуклиды Лития 61л и 71л являются стабильными, а 91л — радио активный. Элементы с порядковыми номера ми 43, 61, а также 84 и выше имеют только радиоактивные изотопы. В клетках периоди ческой системы указаны (в квадратных скоб ках) нуклонные числа тех нуклидов, которые распадаются наиболее медленно. П р и м ен ен и е р а д и он у к л и д ов. Радионукли ды используют в биологии, химии, медицине, археологии, современной технике, а также в физических экспериментах, связанных с получением новых элементов. Важной сферой применения радиоактив ных изотопов является атомная энергетика. На атомных электростанциях вырабатывают почти половину всей электроэнергии в Укра ине. 153

Во время распада неустойчивых ядер атомов возникает излучение, небольшие дозы которо го приводят к серьезным заболеваниям, а высокие — к гибели всего живого. Поэтому работа с радиоактивными веществами требует особого внимания, осторожности и должна предусматривать защиту людей и окружающей среды от этого излучения. Некоторые радиоактивные изотопы, например Карбон-14, Калий-40, встречаются в природе, но, к счастью, в очень незначительном количестве. Они медленно распадаются и не приносят вреда живым организмам.

Это интересно При взрыве атомной бомбы выделяется в миллион раз больше энергии, чем при взрыве обычной бомбы.

154

А т о м н ы е к ат аст роф ы . Атом бывает не только мирным. Явление радиоактивного рас пада атомов Урана, Плутония было использо вано д ля создания атомного (ядерного) ору жия. Такое оружие применили Соединенные Штаты Америки в 1945 г. против мирного населения. Бы ли сброшены две атомные бомбы на японские города Хиросима и Нагаса ки. В одно мгновение погибли тысячи людей, на значительных территориях оказались раз рушенными все здания. Человечество узнало о лучевой болезни, из-за которой умерло в течение нескольких десятилетий много жите лей этих городов. В мире предпринимаются меры по ограниче нию производства ядерного оружия. Действу ют международные соглашения о запрете его испытаний в воздухе, на земной поверхности, под водой. Человечество должно приложить максимум усилий, чтобы не допустить возни кновения атомного конфликта. Иначе жизнь на нашей планете может исчезнуть навсегда (рис. 58). В 1986 г. в Украине произошла авария на Чернобы льской атомной электростанции (ЧАЭС). Она привела к разрушению 4-го блока станции (рис. 59) и выброса в окружающую

Рис. 58. Ч еловечество пом нит об опасном атоме

Рис. 59. 4-й б л ок ЧАЭС после аварии

среду значительны х масс радиоактивных веществ. П огибли люди — те, кто туш ил возникший пожар, кто работал вблизи атом ного реактора. Позже потеряли здоровье или умерли тысячи людей, участвовавших в ли к видации последствий аварии. Значительная часть территории Укра ины, загрязненная радионуклидами, постепенно восстанавливается естествен ным путем. Однако в зоне, примыкаю щей к ЧАЭС, до сих пор запрещено про живать людям. Осуществляется постоян ный контроль за состоянием защитного сооружения, которое возведено над раз рушенным реактором. Необходимыми условиями для разви тия атомной энергетики являются макси мальная безопасность людей и надеж ность оборудования.

ВЫВОДЫ

Виды атомов одного элемента с различным количеством нейтронов называют изотопами, а любой вид атомов — нуклидом. Изотопы — это нуклиды одного элемента. Относительные атомная, молекулярная, фор мульная массы являются отношениями массы 155

а то м а, м о л екул ы или ф орм ульн ой един иц ы к 1 / 1 2 м а с с ы а т о м а 12С. М оль — п о р ц и я в е щ е с т в а , к о т о р а я со д ер ж и т стол ьк о ф ор м ул ьн ы х единиц, скол ько атом ов с о д е р ж и т ся в 1 2 г н ук л и д а 12С. Н у к л и д ы б ы в а ю т ста б и л ь н ы м и и р а д и о а к т и в н ы м и . Р а д и о н у к л и д ы и сп о л ь з у ю т в р а з л и ч н ы х о б л а с т я х н а ук и , т е х н и к и , в э н е р ге ти к е, м ед и ц и не, в о ен н о м дел е.

Радиоактивные вещества опасны для людей, всей живой природы.

9я 2 1 1 . Что т а к о е и зо то п ы , н укл и д ы ? К а к их о б о зн а ч а ю т? О твет п р оил л ю стр и р уй те п р и м е р а м и . 2 1 2 . С ко л ь ко п р о то н о в , н е й тр о н о в и э л е ктр о н о в им еет ка ж д ы й из т а ки х н укл и д о в : ^ М е , 21Ые, 40К , ^ С а , 192Р1? 2 1 3 . П риве д ите по л н ы е о б о з н а ч е н и я та ки х н укл и д о в : Н и тр о ге н -1 5 , С ульф ур-33, Н е о н -2 2 . 2 1 4 . У читы вая, что в п р и р о д е сущ ествую т д в а нуклида Гидрогена ( 1Н, 2Н) и три н укл ид а О кс и ге н а ( 160 , 170 , 180 ), опре д ел ите , с к о л ь к о м о ж е т бы ть р а зн о в и д н о с те й м олекул воды . Н а пиш ите их хи м и ч е с к и е ф о р м ул ы с о б о з н а ч е н и е м н у к л и д о в (о б р а з е ц — 1Н 2Н 160 ). С ко л ь ко з н а ч е н и й м ассы м о ж е т им еть м ол екул а воды ? 2 1 5 . Один у ч е н и к с ка з а л , что о тн о си те л ьн а я м асса а том а р а в н а о тн о с и те л ь н о й а т о м н о й м а с с е с о о т в е т с т в у ю щ е го э л ем е н та, п р и в е д е н н о й в п е р и о д и ч е с ко й си сте м е , а вто р о й е м у в о зр а зи л . К то и з у ч е н и к о в п р а в ? О твет а р гум е н ти р уй те . 2 1 6 . П рирод ны й М а гн и й со сто и т и з и з о т о п о в 24M g, 25M g и 26Mg. А том ная доля п е р в о го нуклида со ста в л я е т 7 8 ,7 %, в то р о го — 1 0 ,1 %. Р ассчи тайте о тн о си те л ьн ую а то м н ую м а ссу эл ем е нта. 2 1 7 . Э лем ент Б ор и м е е т д в а пр и р о д н ы х н укл ид а . А том ная доля

нуклида “ В составляет 80,43 %. Используя точное значение о тн осите л ьн о й а то м н о й м ассы Б ора, п р и в е д е н н о е в п е р и о д и ч е с ко й систем е, о пр е д е л и те вто р о й н укл и д э то го эл ем е нта. 2 1 8 . Что т а к о е р а д и о н укл и д ы ? К а к о е я в л е н и е н а з ы в а ю т р а д и о а к т и в н ы м р а спа д о м ? 2 1 9 . В м е д и ц и н е и сп о л ь зую т р а д ио н укл ид , атом ко т о р о го со д е р ж и т 5 4 з а р я ж е н н ы е и 3 3 э л е ктр о н е й тр а л ь н ы е ча сти ц ы . П риведите о б о з н а ч е н и е это го р а д и о н укл и д а . 156

ДЛЯ ЛЮБОЗНАТЕЛЬНЫХ

Ядерные реакции Э лементы , не сущ е ствую щ ие в п р иро д е (их св ы ш е 2 0 ). н а зы в а ю т и ску с с тв е н н ы м и . Они «родились» в научны х л а б о р а то р и ях в р е зул ь тате ядерны х р е а кц и й — п р е в р а щ е н и й , при ко то р ы х и зм е н я ю тся ядра а то м о в . У чены е пы таю тся со е д и н и ть а то м н ы е ядра с пр о то н а м и , н е й тр о нам и, д р у ги м и (л е гки м и ) яд ра м и. Эти частиц ы р а з го н я ю т до в ы с о ко й с ко р о с ти в с п е ц и а л ьн ы х у с та н о в ка х (ускорителях) и б о м б а р д и руют им и я д ра -м иш ен и. Во в р е м я та ки х э кс п е р и м е н то в иногда о б р а зую тся атом ы н о в ы х э л е м е н то в . З а м е ти м , что при х и м и ч е с ки х р е а кц и я х элем енты остаю тся н е и зм е н н ы м и . В п е р в ы е я д е р н у ю р е а к ц и ю о с у щ е с тв и л а н гл и й с к и й ф и з и к Э. Р езерф орд в 1 9 1 9 г. Он «облучал» атом ы Н итр о ге н а а -ч а с ти ц а м и (это — ядра а том о в Гелия) и о б н а р уж и л о б р а з о в а н и е ядер о д н о го и з нукл ид о в О кс и ге н а , а т а к ж е п р о то н о в (рис. 6 0 ):

£Не + ^14 ->■ х|0 + £Н. Рис. 6 0 . Условное и зо б р а ж е н и е ядерной р е а кц и и

- ; : 0 -

У р а в н е н и е ядерной р е а кц и и отличается от х и м и ч е с ко го у р а в н е ния на л и чием и н д е кс о в сл е ва от с и м в о л а ка ж д о го эл ем ента. В ерх ний и н д е кс , к а к вам и зв е с тн о , является н укл о н ны м числом , а н и ж н и й — п р ото н н ы м числ ом . Суммы о д н о и м е н н ы х и н д е кс о в в левой и п р а в о й частях у р а в н е н и я ядерной р е а кц и и о д и н а ко в ы . Н априм ер, для п р и в е д е н н о го вы ш е ур а в н е н и я о ни т а к о в ы 4 + 1 4 = 1 7 + 1;

2 + 7 = 8 + 1.

О ткры тие Р езерф орда и н и ц и и р о в а л о п р о в е д е н и е м н о ги х э к с п е рим ентов с целью получения но в ы х, н е и зв е стн ы х н а уке эл ем е н тов. Во второй п о л о в и н е п р о ш л о го столетия и в начал е н ы н е ш н е го а м е р и ка н с ки е , р о с с и й с ки е и н е м е ц к и е ф и зи ки с п о м о щ ью ядерны х р е а кц и й получили ряд эл е м е н то в , ко то р ы е «заняли» пусты е кл е тки в п е р и о д и ч е ско й си сте м е п о сл е Урана. Их н а зв а л и тр а н с у р а н о в ы ми эл ем е н там и. Они п р и н а д л е ж а т к III гр уппе , п о б о ч н о й по дгруппе .

С оврем енная модель атома

М а те р и а л п а р а гр а ф а п о м о ж е т в а м : >

Рис. 6 1 . «Места пребы вания» эл ектрона в атом е Гидрогена

понять, что та ко е орбиталь, э н е р ге ти ч е ски й ур о ве нь и подуровень; > в ы ясн и ть ф ормы и р а зм е щ е н и е орб итал ей в пр остр а н стве ; > определять м а кси м а л ь н о е ко л и че ств о эл е ктр о нов на э н е р ге ти ч е ско м ур овн е и подуровне.

Результаты исследований электронов сви детельствуют о том, что эти частицы отлича ются от обычных физических тел. Электрон имеет свойства и частицы, и волны. Точно определить его размер, траекторию движения и координаты в пространстве невозможно. Электронные орбитали. Электрон может находиться в любой точке атома (рис. 61).

Ч а с т ь п р о ст р а н ст в а в а т о м е , гд е п р е б ы в а н и е э л е к т р о н а н а и б о лее вероятно, н а зы в а ю т о р б и т а л ь ю .

Рис. 62. Сф ерическая орбиталь (в-орбиталь)

Орбиталь с электроном похожа на микро скопическое облако (сущ ествует термин «электронное облако»). В нем распределены и масса, и заряд электрона. Орбитали могут иметь несколько форм1. Про стейшая среди них — сферическая (рис. 62), т. е. форма шара (в его центре находится ядро атома). Такую орбиталь обозначают буквой б, а электрон в ней называют в-электроном. Вто рая разновидность формы — гантелеобразная (рис. 63). Ее имеетр-орбиталь. Такие орбитали размещены в пространстве вдоль осей х, у, г\ поэтому их еще называют рх-, ру-, рг-орбиталя ми. В них находятся р электроны. Сугцеству-

1Формы орбиталей определены с помощью расчетов. 158

ют еще (1- и /" орбитали, которые имеют более сложные формы.

Рис. 6 3 . Гантелеобразные орбитали (р-орбитали): а, б, в — р-орбитали с разн ы м разм е щ е н ием в пр о стр а н стве ; г — три р-орбитали в од ном атом е

Лю бую орбиталь упрощенно изображают маленьким квадратом

а электрон в ней

стрелкой: Г .Ш В каждой орбитали может находиться один или два электрона. Эти два электрона отличаются друг от друга свойством, кото рое называют сп и н о м *. Его упрощенно представляют как вращение электрона вокруг собственной оси (так вращается наша планета, вследствие чего происходит смена дня и ночи). Один из электронов вра щается вокруг этой оси по часовой стрелке, другой — против часовой стрелки, т. е. имеет противоположный спин (рис. 64). Эти электроны обозначают в орбитали про тивоположно направленными стрелками: Рис. 64. Электроны с разны м и спинами

Орбиталь, в которой находятся два электро на, является заполненной. Если в орбитали — один электрон, его называют неспаренным , а если два — спаренными.

Т ерм ин п р ои сходи т от а н гл и й с к о го слова spin — вращ аться.

159

Э н е р г е т и ч е с к и е у р о в н и . Важнейшей харак теристикой электрона, которую можно опре делить довольно точно, является его энергия. Электроны, которые занимают в атоме одну или несколько орбиталей одинаковой формы и размера, имеют одинаковую энергию.

Ч е м ком пактнее о р б и та ль и чем бли ж е к ядру находи т ся э л е к т р о н , т ем е г о э н е р ги я м ен ьш е. Современная модель атома учитывает энергию электронов. В ней эти частицы распределяют по так называемым энерге ----4f т ическим уровням (схема 16). Каждый ---- 4с/ 4 — энергетический уровень заполняют элек ---- 4р тронами с одинаковой или очень близкой \ . — 3 с/ энергией. Электроны первого уровня /"'*— 4э имеют наименьшую энергию; они нахо __/'_____ 3р дятся на наименьшем расстоянии от ядра — Зэ атома. Второй уровень занимают элек 2р 2 --троны с большей энергией, третий — с 2б еще большей и т. д. Вместо термина «энергетический уро 1 ....... ....... — 1э вень» нередко используют другой -Подуровень «электронная оболочка». Энергетический Энергетические уровни состоят из уровень подуровней, причем номер уровня указывает на количество подуровней. Так, у первого Схема 16. уровня имеется один подуровень, у второго-Э нергетические два, у третьего — три (схема 16) и т. д. уровни

I кЭнергия

электрона 5 и т. д.

Р а сп р е д ел ен и е эл ек тр о н о в по эн ер гети ч е с к и м у р о в н я м . Каждый энергетический уро

вень вмещает ограниченное количество элек тронов. Их максимальное число определяют по формуле ^ т а х ( в ')

П2,

где п — номер уровня. На первом энергетическом уровне может находиться не более чем 2 - 12= 2 электрона. Они размещаются в одной орбитали (сферической), являются й-электронами, имеют одну и ту же энергию, но различаются своими спинами. 160

Заполнение электронами первого энергети ческого уровня проиллюстрируем так называ емыми электронными формулами (рис. 65) и их графическими вариантами: 1в 1в 1а1 | т | 1в2 Рис. 6 5 . Э лектронная формула

Номер

энергетического-------- ► 1 5 уровня

Количество -»------- электронов

в орбитали ТИП орбитали

Второй энергетический уровень может вме стить максимум 2 • 22 == 8 электронов. Два из них занимают одну в-орбиталь, но большего объема, чем та, которая принадлежит первому уровню. Они также имеют противоположные спины. Остальные шесть электронов второго уровня являются р-электронами. Поскольку в каждой орбитали может находиться не более двух электронов, то р-орбиталей должно быть 6 : 2 = 3. Это орбитали одного энергетического уровня; они имеют одинаковый объем и распо ложены вдоль осей координат (рис. 63). Электронная формула заполненного второ го энергетического уровня-2в22рв. Сферическая орбиталь для электрона более выгодна, чем гантелеобразная. Поэтому энер гия в-электронов второго энергетического уровня немного ниже, чем р-электронов: 2р Ті Ті Ті и Это интересно

Электроны начинают заполнять Зй-орбиталь после заполнения 4 в-ор би та ли . 6 Химия, 8 кл.

Итак, второй энергетический уровень состо ит из двух подуровней. Их обозначают так же, как и соответствующие электроны: «-подуро вень, р-подуровень (схема 16). Третий энергетический уровень вмещает не более 2 - З2= 18 электронов. Он состоит из трех подуровней — Зв, 3р и 3(1. Если на «-подуровне может быть не более 2-х электронов, на р-под161

уровне — не более 6-ти, то максимальное количество электронов на <і-подуровне соста вляет 18 —2 —6 = 10. Это — й-электроны; они занимают пять орбиталей. ► Запишите электронную формулу и ее гра фический вариант для третьего энергетичес кого уровня, полностью заполненного электронами. Современная модель атома позволяет вос произвести его электронное строение, опре д ели ть возможности соединения атома с другим и атомами, а такж е потери атомом или присоединения им электронов. Все это предопределяет хим ические свойства про стых и слож ны х веществ.

выводы Часть пространства в атоме, где пребывание электрона наиболее вероятно, называют орби талью. Орбитали имеют несколько форм — сфе рическую (в такой орбитали находятся 8-элек троны), гантелеобразную (в ней находятся р-электроны) и некоторые другие. В орбитали могут находиться один или два электрона. Свойство электрона, напоминающее враще ние вокруг собственной оси, называют спином. В современной модели атома электроны распределяют по энергетическим уровням и подуровням. Каждый уровень и подуровень вме щает ограниченное количество электронов.

2 2 0 . Что т а ко е о р б ита л ь? К а к и е ф ормы им ею т э- и р -о р б и та л и ? 2 2 1 . К а к разм ещ ены в п р остр а н стве р-орбитали о д н о го атом а? П оче му о б о зн а ч е н и е э-орбитали не им еет инд екса (н а при м е р , эх)? 162

2 2 2 . Н айдите со отв е тств и е :

223. 224.

225.

226. 227.

а) за п о л н е н н а я о рб ита л ь; б) с п а р е н н ы е эл е ктр о н ы ; в) эл е ктр о н ы с противополож ны м и сп и н а м и ; г) н е с п а р е н н ы й эл е ктр о н ; д) св о б о д н а я (в а ка н тн а я ) о рб итал ь. Н а зо в и те х а р а кт е р и с т и ки , по ко то р ы м один э л ектро н м о ж е т отличаться от д р у го го или б ы ть п о хо ж и м на н е го . Э не р гия к а к о й ча стиц ы м еньш е: э -э л е ктр о н а на 1-м э н е р ге ти ч е с ко м у р о в н е или р -э л е ктр о н а на 2 -м э н е р ге ти ч е с ко м ур о в н е ? О твет а р гум е н тир уйте . В сегда ли э н е р ги я э л е к тр о н а 3 -го э н е р ге т и ч е с к о го ур о в н я вы ш е, чем э л е ктр о н а 2 -г о ур о в н я ? И зм е н и тся ли ответ, если с р а в н и в а т ь э н е р ги ю э л е ктр о н а 4 -г о ур о в н я и э л е ктр о н а 3 -го у р о в н я ? И спо л ьзуйте схе м у 1 6 . К а ка я з а п и с ь дает б ол ьш е ин ф о р м а ц и и о б э л ектро н а х: э л е к тр о н н а я ф ормула или ее гр а ф и ч е ски й в а р и а н т? П очем у? Среди у ка з а н н ы х по д ур о в н е й н а з о в и т е те, ко то р ы е в атом е н е в о з м о ж н ы : 6 р, 2с1. 1р, Ъэ.

С троение электронны х оболочек атом ов Материал параграфа поможет вам: > > >

составлять эл ектро н н ы е формулы атом ов; п р о гн о зи р о в а ть зн а че н и я валентности эл ем ен та, исходя из эл е ктр о н н о го строения атом а; р азл ичать о с н о в н о е и в о зб уж д е н н о е состояния атом а.

Размещение электронов в атомах. Все в окружающем мире стремится перейти в со стояние с наименьшей энергией. Такое состоя ние является самым устойчивым и потому самым выгодным. Принципом наименьшей энергии определяется и электронное строение атома. 163

Э л е к т р о н ы в а т о м е р а з м е щ а ю т с я та к , ч т о б ы и х э н е р ги я б ы л а м и н и м а л ь н о й . Рассмотрим, как заполняют электроны энергетические уровни и подуровни в атомах различных элементов. А том элемента № 1 Гидрогена содержит только один электрон. Согласно принципу наименьшей энергии этот электрон должен находиться как можно ближе к ядру, т. е. при надлежать первому энергетическому уровню и занимать в-орбиталь. Электронная формула атома Гидрогена1и ее графический вариант таковы: Атом элемента № 2 Гелия имеет два элек трона. Может ли второй электрон разместить ся на первом энергетическом уровне? Да, так как максимальная «емкость» первого уровня — 2 электрона. Эти частицы будут различаться только своими спинами. Запишем электронную формулу атома Гелия и ее графический вариант: 2Не їв 2;

їв ТХ .

В атоме элемента № 3 Л ития — три элек трона. Два электрона занимают 1а-орбиталь (схема 16). Первый энергетический уровень заполнен, и третий электрон размещается на втором уровне. Из орбиталей 2в- и 2р - он «выбирает» ту, которая имеет более низкую энергию, т. е. 2в-орбиталь. Электронная формула атома Лития и ее гра фический вариант таковы: 2Р з

і в ргГ] 1 Запись элек тр он н ой ф о р м у лы атома е щ е назы ваю т элек тр он н ой конф игурацией.

164

Электроны на последнем энергетическом уровне атома называют внеш ним и. В атоме металлического элемента Лития — один внеш ний электрон; он находится в 2в-орбитали. Чтобы выделить в атоме внешние электро ны, используют сокращенную запись элек тронной формулы. Для атома Лития она тако ва: [Не]2а1. Символ элемента Гелия в квадрат ных скобках означает, что внутренняя часть электронной оболочки атома Лития такая же, как и электронная оболочка атома Гелия (1в2). Сокращенные записи и 3 электронных формул атомов имеются в Л и ти й 6,941 коротком варианте периодической систе [НЄІ281 мы Менделеева (форзац I, рис. 66). Иногда электронные формулы атомов запи Рис. 66. сывают, указывая только внешние электро Клетка ны. Такая формула для атома Лития — ... 2я1. элемента В атоме элемента № 4 Бериллия — 4 элек Лития трона. Четвертый электрон «составляет пару» третьему и размещается в 2в-орбитали: 2р іВе 1в22а2, или [Н є]2 б2; 2в и їв

Ті

Атом элемента № 5 Бора имеет 5 электро нов. Пятый электрон принадлежит второму энергетическому уровню и размещается в одной из р-орбиталей: 5В 1а22в22!р\ или [Не]2в22р*;

2в 1в

В атоме элемента № 6 Карбона появляется шестой электрон. Он может либо «подселить ся» к пятому электрону в одну р-орбиталь, либо занять другую р-орбиталь. Реализуется вторая возможность: электроны, имея одноименные заряды, отталкиваются друг от друга; им выгоднее разместиться в разных орбиталях. 165

Электронная формула атома Карбона и ее графический вариант: 2Р 6С 1я22а22р2, т или [Не]2в22р2; 2в Т і 1в Т і Учитывая то, что каждый электрон старает ся занять вакантную орбиталь последнего подуровня, а в случае ее отсутствия «подселя ется» к другому электрону (с противополож ным спином), запишем электронные формулы атомов остальных элементов 2-го периода: 2Р 71Н 1в22я22р3, 2я или [Не]2я22р3; 1я вО и 22в22р\ или [Не]2в22р4;

2я 1в

9Г

1я22в22р5, или [Не]2в22р5;

2я 1в

,0Ne 1822в22р6, или [Не]2в22рв;

1в

Рис. 67. Атомы элементов 2-го периода

и 166

2я

Заполнение электронами орбиталей внешне го энергетического уровня в атомах элементов 2-го периода показано на рисунке 67.

Ве

В атоме элемента № 11 Натрия начинается заполнение третьего энергетического уровня. На нем появляется один электрон: 3Р

N 3 І5 22й22р6351, и л и ^ е ІЗ в 1.

► Выведите электронные формулы атомов остальных элементов 3-го периода. Это и н т е р е с н о

Электронное строение атомов элементов, открытых в последнее время, не установлено.

Советуем запомнить: количество энергети ческих уровней атома, на которых находятся электроны, совпадает с номером периода, в котором находится элемент. При составлении электронных формул ато мов элементов 4-го периода нужно учитывать, что энергия подуровней возрастает в таком порядке (схема 16): 1 S < 2 S < 2 P < 3 S < 3 P < 4 S < 3 C I < 4р,

а на последнем энергетическом уровне в атоме не бывает больше 8 электронов.

Состояние атома, в котором орбитали запол нены электронами в соответствии с принципом наименьшей энергии, называют основным. Внешние электроны атома и валентность элемента. Существует связь между размеще нием электронов на последнем энергетиче ском уровне атома и значениями валентности элемента. Сопоставим некоторые факты. Атом Гидро гена имеет один электрон; значение валентно сти элемента равно 1. На внешнем энергетиче ском уровне атома Лития — тоже один элек трон, а атома Ф луора — семь электронов, 167

среди которых один — неспаренный. Литий и Ф луор — одновалентные элементы. В атоме Оксигена на внешнем уровне — два неспарен ных электрона; этот элемент двухвалентен. К о ли ч еств о н есп ар ен н ы х электрон ов в атом е ук азы ва ет на в о з м о ж н о е з н а ч е н и е в а л е н т н о с т и э л е м е н т а .

Э то интересно

Отдельный атом, нахо дящийся в возбужденном состоянии, быстро возвращается в основное состояние, теряя при этом часть своей энергии.

Атом Карбона содержит два неспаренных электрона (с. 166). Однако этот элемент в своих соединениях (кроме угарного газа СО) проявляет валентность 4. Значит, в атоме Кар бона должно быть не два, а четыре неспарен ных электрона. Они появляются в результате разъединения пары 2з-электронов: один из электронов, получив порцию энергии, перехо дит в вакантнуюр-орбиталь. Процесс перехода электрона с одной орбита ли в другую (в пределах одного энергетическо го уровня) называют возбуж дением атома. Возбужденное состояние атома обозначают звездочкой вверху после символа элемента: С -> С* І 8 22 в 22 р 2 ->

1 а 22 5 '2 р 3

2Р

2в

1в

1в Т і

основное состояние атома Карбона

т ГГ т

возбужденное состояние атома Карбона

В атомах Оксигена и Флуора нет вакантных орбиталей. Поэтому разъединение пар 2в- и 2р-электронов невозможно. Значение валент ности этих элементов совпадает с количеством неспаренных электронов в атомах: 2 — для Оксигена и 1 — для Флуора. В атомах Гелия и Неона во всех орбиталях находятся лиш ь пары электронов, а свобод ных орбиталей нет. Эти элементы не проявля 168

ю т т а к о г о с в о й с т в а к а к в а л е н т н о с т ь ; и х а то м ы несп особн ы со ед и н я ться д р у г с д р угом и с д р у ги м и а т о м а м и .

ВЫВОДЫ Э л ек тр о н ы в а то м е р а з м е щ а ю т с я т а к , ч тоб ы и х эн ерги я б ы л а м и н и м ал ьн ой . Н а к аж д о м эн ер гети ч еск о м ур о вн е эл ек тр о н ы с н а ч а л а з а п о л н я ю т « о р б и та л и , а за тем — р -о р б и та л и . К о л и ч е ст в о н есп а р ен н ы х эл ектрон ов в ато м е у к а з ы в а е т н а в озм ож н ое зн ач ен и е вал ен тн о сти эл ем ен та. А т о м п р и н а л и ч и и с в о б о д н ы х о р б и та л е й на п осл едн ем эн ер гети ч еск о м ур о в н е м о ж е т п ер е х о д и ть в в озб уж д ен н о е со сто я н и е. П ри этом за сч ет р азъ ед и н ен и я эл е к т р о н н ы х п ар ко л и ч ество н е с п а р е н н ы х эл ек тр о н о в в а т о м е в о з р а с т а е т и возн икает предпосы лка для проявлен и я эле м ен том б о л е е вы со к о й в ал ен тн о сти .

2 2 8 . Атом элем ента 2 -го пе ри о д а им еет на послед нем э н е р ге ти ч е с ко м ур о в н е 6 э л е ктр о н о в . С ко л ь ко среди них сп а р е н н ы х э л е к т р о н о в . а с к о л ь к о — н е спа р е н н ы х? 2 2 9 . Атомы ка ки х элем ентов 2 -го периода в о сн о в н о м состоянии им ею т один неспаренны й электрон, два неспаренны х электрона? 2 3 0 . Н а зо в и те элемент, атом ко то р о го им еет та кую э л е ктр о н н ую формулу: а) 1 з 2; б) 1 з 22 5 22 р 63 8 1; в) [Н е ]2 з 22 р 5; г) [ ^ е ] 3 з 1. 2 3 1 . Н а зо в и те д ва элем ента, атом ы ко то р ы х в о с н о в н о м состоян ии со д е р ж а т о д и н а ко в о е ко л и ч е с тв о всех э- и всех р -э л е ктр о н о в . 2 3 2 . М о ж е т ли сущ е ств о в ать в о зб у ж д е н н о е со сто я н и е для а том о в Гидрогена, С илиция, Н и тр о ге н а ? О тветы обоснуйте. 2 3 3 . Найдите со отве тствие : а) о с н о в н о е со сто ян и е атом а; б) в о зб у ж д е н н о е со стояние атом а. 169

2) 1в22522р4

3) Т і

ргХ] ргХ] ргХ

Ті 4) 1 в 22 5 12 р 3 2 3 4 . Н апиш ите э л е ктр о н н ую ф ормулу и и з о б р а з и т е ее гр а ф и че ски й в а р и а н т для в о з б у ж д е н н о го а том а Б ора. 2 3 5 . К а к о е з н а ч е н и е ва ле нтно сти п р о я в л я е т атом с т а ко й э л е ктр о н ной ф ормулой:

а,[][]□ □ □ ЕЗ в) [Ые] 35г

б)

ЕЗ г) І 5 22 з 12 р 3?

Периодический за ко н и электронное строение атомов М а те р и а л п а р а гр а ф а п о м о ж е т в а м : >

в ы я с н и ть , че м с о в р е м е н н а я ф о р м у л и р о в ка пе р и о д и че ско го з а к о н а отличается от той, кото рую дал Д. И. М енделеев; > по нять ф изическую суть пе р и о д и че ско го за ко н а ; > усвоить с в я зь м еж д у но м е р ом периода и количе ство м эн е р ге ти че ски х уровней в атом е, а та кж е м е ж д у ном ером группы и ко л ичеством электро но в на внеш нем э н е р ге ти ч е ско м уровне; > объ яснять и зм е н е н и е радиусов а том о в элем ен тов в периодах и группах.

С о вр ем ен н ая ф ор м ул и р овка п ери оди ческо г о з а к о н а . Д. И. Менделеев, как и его совре

менники, еще не знал, какое строение имеет 170

атом. Однако он был уверен в том, что причину периодичности в изменениях химического характера элементов и свойств веществ нужно искать в самих атомах. Ученый понимал, что периодический закон требует более глубокого познания. Открытие сложного строения атома помог ло установить, что фундаментальной характе ристикой каждого элемента является заряд ядра атома, а не масса, поскольку у большин ства элементов есть изотопы. Поэтому ныне периодический закон формулируют так: свойства х и м и ч е ск и х эл ем ен т о в , п р о ст ы х вещ еств, а т а к ж е состав и свой ства со ед и н ен и й н а х о д я т с я в п е р и о д и ч еск о й за в и с и м о ст и о т зн а ч ен и й за р я д о в я д ер атом ов . Известно, что Менделеев разместил в перио дической системе Иод после Т еллур а, хотя масса атома Иода немного меньше. Основны ми критериями для ученого были, кроме атом ной массы, химический характер элементов и свойства образованных ими веществ. Теперь мы знаем, что ядро атома Иода содержит на один протон больше, чем ядро атома Теллура, и поэтому порядковый номер Иода должен быть на единицу большим. В периодической системе имеется еще не сколько пар элементов, которые следовало бы поменять местами, учитывая значения атомных масс. Среди них — Аргон и Калий. Атом Калия содержит на один протон больше. Но почему его относительная атомная масса меньше, чем Аргона? Оба элемента имеют по три природных нуклида. Аргон почти целиком состоит из «тяжелого»нуклида 40Аг; таких ато мов — 99,6 %от их общего количества (суще ствуют еще нуклиды 36Аг и звАг). У Калия пре обладает «легкий» нуклид 39К, на который при ходится 93,2 % всех атомов (существуют еще нуклиды 40К и 41К). 171

Физическая суть периодического закона. Обратим внимание на внешние электронные оболочки атомов первых 18 элементов (рис. 68). П ер и од I 1

1 2 3

III

Г р уп п ы IV V

V II

Н I»1

О )* 3 Ы 2 «1 (I) 11 N8 38* (І)

V III 2 Не

І82 4 Ве 28а (II) І2 М Є

382 (П )

В 2вя2р1

6 с 2822р2

7 N 2вг2р3

Ґ 2вг 2р5

10 N6 2вг2рв

(Н І) (IV ) (IV ) (II) (I) 13 А1 14 15 Р 16 Є 17 СІ 3в23р1 3в23р2 3в23р* 3в23р3 3823р5 (V II) __ (Ш1__ __ (I V ) __ ___ (У)___ ___(V I) ___

18 А г 38г3р®

8 О 2вг 2р4

* В скобках приведено значение валентности элемента (единственное или максимальное).

Рис. 68. Фрагмент периодической системы

172

Вы видите, что в естественном ряду химических элементов количество внешних электронов в атомах и их размещение в орбиталях периодически повторяются. Например, в ато мах Гидрогена (элемент № 1), Л ития (№ 3), Натрия (№ 11) на последнем энергетическом уровне находится один д-электрон, в атомах Гелия (№ 2), Бериллия (№ 4), Магния (№ 12) — два в-электрона. Зная количество внешних электронов, можно предсказать химический характер элемента. В атомах элементов 2-го и 3-го периодов Лития, Бериллия, Натрия, Магния, Алю миния на последнем энергетическом уровне находится небольшое количество электронов — от 1 до 3. Это металлические элементы. В атомах неме таллических элементов внешних электронов больше — от 4 до 8. Поскольку состав внешней электронной обо лочки атома влияет на химический характер элемента, то периодичность изменения элек тронного строения атомов элементов обуслов ливает периодичность изменения состава и свойств веществ. В этом заключается физиче ская суть периодического закона. Классификация элементов по электронно му строению атомов. В основе одной из класси фикаций химических элементов леж ит элек-

тронное строение атомов. В зависимости от типа орбитали, в которой размещаются электроны с наибольшей энергией (внешние электроны), элементы делят на четыре типа: 8-элементы, р-элементы, Фэлементы и /-элементы. Клетки элементов каждого типа в периодической системе имеют определенный цвет — розовый (я-элементы ), ж елты й (р-элем енты ), синий («/-элементы) или зеленый (/-элементы). я-Элементы (кроме Г ели я ) принадлежат к главным подгруппам I и II групп, а р-элементы — главным подгруппам I I I — V III групп. Во всех побочных подгруппах содержатся <2-элементы, а /-элементы принадлежат к побочной подгруппе I I I группы. Это — лантаноиды и актиноиды; они вынесены за пределы основ ного поля периодической системы. Периодическая система, электронное стро ение атомов и валентность элементов. С элек тронным строением атомов согласуются номера периодов и групп: • номер периода, в котором находится элемент, указывает на количество энергетических уровней (электронных оболочек) в его атоме; • номер группы, к которой принадлежит а- или р-элемент, совпадает с количеством электро нов на внешней оболочке атома1и указывает на максимальное значение валентности элемента (рис. 68). Поэтому внешние элек троны еще называют валентными. Существует несколько элементов, макси мальные значения валентности которых отли чаются от номеров соответствующих групп периодической системы. Нитроген — элемент V группы, но значение его валентности не пре вышает 4. Постоянные значения валентности Оксигена (2 ) и Флуора (1) также не отвечают номерам групп (V I и V II). Причину этого мы рассмотрели в предыдущем параграфе. 1 Д л я «/-элементов I I I — V I I гр уп п ном ера групп совпадаю т с общ им ч и с ло м элек тр он ов на д в ух п о след н и х п од уровн ях ( Ф и э-).

173

Радиусы атомов элементов в периодах и группах. Атом в нашем представлении являет ся микроскопическим шариком, имеющим определенный радиус1. Р а д и у с атома — эт о расст ояние от цен тра ядра до сферической поверхност и, кото рой касаю т ся орбит али с элект ронам и последнего энергет ического уровня. Радиусы атомов зависят от зарядов ядер и количества энергетических уровней, на кото рых размещены электроны. Атомы элементов одного периода имеют оди наковое количество энергетических уровней, но разные радиусы (рис. 67, 69). Заряды ядер атомов элементов в периоде возрастают. Чем больше заряд ядра, тем ближ е к нему нахо дят ся электроны и тем радиус атома меньше. Такую зависимость объясняет закон физики, согласно которому частица с большим зарядом сильнее притягивает (или отталкивает) другую. Р а д и усы атом ов элем ен тов в периоде ум еньш аю тся с л е в а н а п р а в о.

Рис. 69. Атомы элем ентов 3-го периода

► Воспользовавшись рисунком 69, сопоставь те радиусы атомов металлических и неме таллических элементов 3-го периода. Теперь сравним атомы элементов одной груп пы (подгруппы). В них с увеличением порядко вого номера возрастает количество энергетиче ских уровней, на которых размещены электро ны. Это приводит к увеличению размеров атомов (рис. 70). Чем больше энергетических уровней имеет атом, тем его радиус больше.

1 Радиусы отдельного атома и такого, который находится в веще стве, различны. 174

Р а д и у с ы а т о м о в э л е м е н т о в в гр у п п е (п о д г р у п п е ) в озр а ст а ю т с в е р х у в н и з. Обратите внимание на заряды ядер атомов Лития, Натрия и Калия. Они резко возрастают: + 3 (Ы), +11 (Л/а), +19 (К). Это должно усилить притяжение электронов к ядру и вызвать умень шение радиусов атомов. Однако возраста ющие заряды ядер в значительной мере экра нируются зарядами электронов внутренних оболочек, как бы нейтрализуются ими. А коли чество этих электронов от Лития к Калию уве личивается почти так же, как и заряды ядер. Поэтому определяющим фактором, который влияет на радиусы атомов элементов одной группы (подгруппы), является количество энер гетических уровней.

выводы

Рис. 70. Атомы элем ентов главной подгруппы I группы

Периодический закон ныне формулируют так: свойства химических элементов, простых веществ, а также состав и свойства соединений находятся в периодической зависимости от зна чений зарядов ядер атомов. Физическая суть периодического закона заключается в том, что с возрастанием зарядов ядер периодически изменяется электронное строение атомов, что обусловливает периодиче ское изменение химического характера элемен тов, их валентности, свойств простых веществ и соединений. Исходя из электронного строения атомов, различают 8-, р - , е£- и /-элементы. Н ом ер п е р и о д а , в к о то р о м н а х о д и т с я эл ем ен т, у к а з ы в а е т н а к о л и ч е ств о э н е р ге т и ч е с к и х у р о в ней в его а т о м е , а н ом ер гр у п п ы — н а к о л и ч е ств о эл е к т р о н о в н а вн еш н ем ур о в н е и м а к си м а л ь н о е зн ач ен и е в а л ен тн о сти .

Радиусы атомов элементов в периоде умень шаются слева направо, а в группе (подгруппе) возрастают сверху вниз. 175

9 2 3 6 . П о с те п е н н о или п е р и о д и ч е с к и и зм е н я е тс я с в о зр а с та н и е м п о р я д к о в о го н о м е р а эл ем ента: а) о б щ е е ко л и ч е с тв о э л е ктр о н о в в а том е ; б) кол ичество э л е ктр о н о в на внеш нем эн е р ге ти че ско м уровне? 2 3 7 . К а к о в а , на ваш в згл я д , п р и ч и н а то го , что о тн оси те л ьн а я а то м ная м а сса Теллура бол ьш е, чем Иода, хотя атом Теллура со д ер ж и т на 1 протон и 1 эл е ктр о н м ен ьш е? 2 3 8 . В ы пиш ите в с т о л б и к в се с и м в о л ы э л е м е н то в , ко то р ы е н а ч и н а ю тся с б у кв ы N. П осле ка ж д о го с и м в о л а у к а ж и т е н а з в а н и е и тип с о о тв е тс тв у ю щ е го эл ем е н та (Б-, р -, с/- или ^э л е м е н т). 2 3 9 . Не составляя эл е ктр о н н ы х формул, ука ж и те ко л и честв о эл ектро н о в на последнем э н е р ге ти ч е с ко м ур о в н е в атом ах С1, РЬ, Аэ, Кг. 2 4 0 . К а ку ю и н ф о р м а ц и ю о х и м и ч е с ко м эл ем е н те м о ж н о получить из э л е ктр о н н о й ф ормулы а том а ? 2 4 1 . Э лем ентам к а к и х т и п о в п р и н а д л е ж а т т а ки е э л е ктр о н н ы е фор мулы а то м о в : а) 1 э 22 э 22р 6352; б) 1 5 22 э 22 р 1; в) 1 5 22 э 22 р 63 з 23 р 4? 2 4 2 . Что та ко е радиус атом а? От ка ки х ф акторов за в и си т его значение? 2 4 3 . Атом к а к о г о э л е м е н та в ка ж д о й па р е и м е е т бол ьш ий радиус: — Р, F— Вг, Н— Не, N 8— Ве? О тветы а р гум е н ти р уй те . 2 4 4 . О п р е д е л и в х а р а к т е р и з м е н е н и я р а д и у с о в а т о м о в в рядах эл ем ентов Ве— [\/^ — А1 и Ве— В— А1, вы берите пр а в и л ьн ы й ответ: а) радиус а том а Б ерил л ия больш е, чем а том а А л ю м ин ия; б) радиус а том а А л ю м ин ия больш е, чем а том а Б ериллия; в) радиусы а то м о в Б ериллия и А л ю м ин ия почти о д и н а ко в ы . 2 4 5 . Н азовите элемент, атом которого, на ваш взгляд, имеет: а) наи м еньш ий радиус; б) наибольш ий радиус. О бъясните ваш вы бор.

Х а р а кте р и с ти ка элем ента по его положению в периодической систем е и строению атом а М а те р и а л п а р а гр а ф а п о м о ж е т в а м : > 176

вы яснить, что п о н и м а ю т под хара кте ри стико й х и м и ч е с ко го элем ента;

составлять характеристику элемента и определять тип его простого вещ ества по полож ению элем ен та в периодической системе и строению атома.

Разобравшись в сути периодического закона, зная, какая информация об элементах имеется в периодической системе, и опираясь на элек тронное строение атома, вы можете составить характеристику элемента, определить тип его простого вещества. П лан характеристики элемента 1. Место элемента в периодической системе (номер периода, номер группы, главная или побочная подгруппа). 2. Относительная атомная масса. 3. Состав атома, т. е. количество протонов, нейтронов (если элемент входит в число двад цати элементов, имеющих по одному природ ному н ук ли д у) и электронов. Вероятность существования природных изотопов (по отклонению значения относительной атомной массы от ближайшего целого числа). 4. Электронное строение атома, т. е. разме щение электронов на энергетических уровнях и подуровнях. 5. Тип элемента (я-,р-, <1-, /-), его химический характер (металлическим или неметалличе ским является элемент). 6. Максимальное и минимальное значения валентности (по номеру группы периодической системы, к которой принадлежит элемент, и количеству неспаренных электронов в атоме). Возможность нахождения атома в возбужден ном состоянии. 7. Тип простого вещества, образованного элементом (металл или неметалл). УПРАЖНЕНИЕ. С о с т а в и ть х а р а к т е р и с т и к у Ф о с ф о р а п о п о л о ж е н и ю эл ем е н та в п е р и о д и ч е с ко й си сте м е и с тр о е н и ю атом а.

Решение 1. Элемент Фосфор находится в 3-м периоде, пятой группе, главной подгруппе. В соответствующей клетке периодической 7 Химия, 8 кл.

177

системы (рис. 71) находим символ элемента — Р. П оскольку в клетке приведено лиш ь одно название — 30,974 Фосфор фосфор, то оно является названием как [Ne]3sz3pa элемента, так и его простого вещества1. 2. Относительная атомная масса Рис. 71. элемента — 30,974. К л етка Ф осф ора 3. Порядковый номер элемента (про в п е рио д иче ской тонное число) — 15. В состав атома Фос систем е фора входят 15 протонов и 15 электронов. Фосфор находится среди тех двадцати элементов (§ 23), которые имеют по одному природному нукли ду. Нуклонное число для нуклида Фосфора получаем, округляя значение относительной атомной массы элемента до целого числа: 30,974 « 3 1 . Обозначение нуклида — 31Р. Количество нейтронов в ядре нуклида равно разности между нуклонным и протонным числами: 31 —15 = 16. 4. Поскольку Фосфор находится в 3-м периоде, то электроны в его атоме размещены на 3-х энергетических уровнях. Первый и второй уровни заполнены; они содержат соответственно 2 и 8 электронов (таково электронное строение атома элемента № 10 Неона). На третьем, внешнем, уровне находятся 5 электронов (их количество для элемента главной подгруппы совпадает с номером группы): 2 электрона — на Зв-подуровне и 3 — на Зр-подуровне. Электронная формула атома Фосфора — 1822а22р6За2Зр3. Ее графический вариант с изображением не только заполнен ных, но и вакантных орбиталей последнего энергетического уровня (Зс/-орбиталей) имеет такой вид:

38 2Р 2s

1 Существует несколько простых веществ этого элемента. Важней шие из них — красный и белый фосфор. 178

5. Фосфор — р-элемент, поскольку при заполнении энергети ческих уровней атома последний электрон занимает р-орбиталь. Фосфор является неметаллическим элементом; он нахо дится в длинном варианте периодической системы справа и выше ломаной линии. 6. Минимальное значение валентности Фосфора равно 3 (таким является количество неспаренных электронов в атоме). Суще ствует возможность перехода одного электрона из Зя-орбитали в Зйорбиталь: Р -> Р * 1я22я22р63я23р3 -> 1.922822р63.913р33й1

за

Зв' т и

Зв РтП р Г

зР т т

т Зd т

Количество неспаренных электронов в возбужденном атоме увеличивается до пяти. Поэтому максимальное значение валентности Фосфора равно 5. 7. П оскольку Фосфор — неметаллический элемент, то его простое вещество является неметаллом. Характеристика Гидрогена. Элемент № 1 — единственный, который размещают в двух клетках периодической системы Д. И. Менде леева. Его можно найти в главных подгруппах I и V II групп. Каждый вариант размещения Гидрогена имеет свое обоснование. 1. Гидроген похож на элементы главной подгруппы I группы — щелочные элементы. Он одновалентен; в его атоме на последнем (единственном) энергетическом уровне нахо дится один электрон. 2. Гидроген сходен и с элементами главной подгруппы V II группы — галогенами. Это — неметаллический элемент. Постоянное значе 179

ние его валентности совпадает с минималь ным значением валентности галогенов. Про стое вещество Гидрогена — газ водород Н 2 — по своим свойствам имеет много общего с фтором F2 и хлором С12. Какому же варианту размещения Гидроге на в периодической системе следует отдать предпочтение? Единого мнения нет. Поэтому этот элемент можно обнаружить и в I, и в VII группе. При составлении характеристики элемен та Гидрогена необходимо учитывать оба ва рианта его размещения в периодической сис теме.

ВЫВОДЫ

Х и м и ч е с к и й эл ем ен т х а р а к т е р и з у ю т , у к а з ы в ая его полож ен и е в п ер и оди ч еской си стем е, о тн оси тел ьн ую атом н ую м а ссу , состав и элек тр о н н о е стр о ен и е а то м а , х и м и ч е ск и й х а р а к те р , ти п (и сх о д я из эл ек тр о н н о го стр о ен и я ), м а к си м а л ь н о е и м и н и м ал ьн о е зн ач ен и я вал ен тн о сти (с у ч е то м возм о ж н о сти н а х о ж д ен и я а т о м а в воз б у ж д е н н о м с о с т о я н и и ), а т а к ж е т и п п р о с то го в е щ е с тв а .

2 4 6 . О ха р а кте р и зуй те Л и ти й и Сульфур по плану, п р и в е д е н н о м у в п а ра гр а ф е . П рим ите во в н и м а н и е то, что атом Сульфура м ож ет находиться в двух в о зб у ж д е н н ы х состояниях. 2 4 7 . Н азовите н е ско л ь ко элем ентов, ко тор ы е им ею т значение валентности 7. 2 4 8 . Д ля к а к и х э л е м е н то в м а кс и м а л ь н ы е зн а ч е н и я ва ле нтно сти не со в п а д а ю т с н о м е р а м и гр упп, в ко тор ы х о н и находятся? 2 4 9 . В чем схо д ство м е ж д у во до р од о м и хл о ро м ? Чем отличается в о дород от натрия? 180

П ериодическая систем а, хим ический х ар актер элем ентов и свойства простых вещ еств Материал параграфа поможет вам: вы яснить, к а к изм еняется ха р а кте р элем ентов в периодах и группах; п р о гн о зи р о в а ть хи м и ч е ски е св о й ств а просты х вещ еств и их а ктивн ость, учиты вая по л о ж е н ие эл ем ентов в п е р и о д и че ско й систем е.

Вы знаете, что существуют металлические и неметаллические элементы. Первые находят ся в периодической системе в начале каждого периода и в середине больш их периодов. Их атомы имеют на внешнем энергетическом уровне, как правило, от одного до трех элек тронов. Неметаллические элементы заверша ют периоды. Внешних электронов в их атомах больше — от четырех до восьми: Период

Группы I

III

V II

V III

Шё А1 р БІ Б С1 Аг Зг2 3 в23р1 3в23р2 3г23р3 3г23р4 3г23р5 3г23р6 Н е м етал л и ч еск и е М ета л л и ч еск и е эл ем ен ты эл ем ен ты

N8 Зя1

М еталлические элементы образуют про стые вещества металлы, а неметаллические — простые вещества нем еталлы . Х и м и ч еск и й ха р ак т ер элем ент а определяю т преж де всего по хим ическим свойст вам его прост ого вещ ест ва , т. е. учитывают, вступает ли оно в реакции, характерные для металлов или нем еталлов, а если вступает, то насколько активно. 181

Химическая активность металлов — про стых веществ элементов одного периода. Выясним, как изменяется активность про стых веществ металлических элементов 3-го периода в реакциях с водой и хлоридной кислотой. Вам хорошо известно, что натрий бурно взаимодействует с водой в обычных условиях. Магний вступает в аналогичную реакцию только при нагревании (рис. 72), а алюминий даже в кипящей воде остается неизменным1. Таким образом, химическая активность металлов по отношению к воде возрастает в ряду алюминий — магний — натрий. Рис. 72. Отношение магния к воде: а — холодной; б — горячей. Образование магний гидроксида фиксирует фенолфталеин

ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ № 13 Сравнение химической активности магния и алюминия в реакции с кислотой Поместите в одну пробирку немного магниевой стружки, а в другую — алюминиевой (вместо нее можно взять алюминиевую фольгу). Налейте в обе пробирки по 1— 2 мл разбавленной хло ридной кислоты. Что наблюдаете? Если в одной из пробирок реакция не происходит, нагрейте ее содержимое, но не до кипения. По интенсивности выделения газа (какого?) и условиям про текания реакций сделайте вывод о том, какой металл более активный — магний или алюминий. Сопоставьте размещение 1 А л ю м и н и й начинает взаим одействовать с водой при попадании на него ртути.

182

соответствующих металлических элементов в периодической системе. Составьте уравнения реакций. Химическая активность м еталлов — про стых веществ элементов главной подгруппы. Обратим внимание на отношение к воде про стых веществ элементов главной подгруппы II группы. Убедиться в различной активности магния и кальция можно, осуществив такой экспери мент. В две пробирки наливают немного воды и добавляют по 1— 2 капли раствора фенол фталеина. В одну пробирку вносят небольшой кусочек кальция, а в другую — магниевую струж ку. С водой будет реагировать только кальций. Если пробирку с магнием и водой нагреть, то и в ней начнется реакция. ► Сопоставьте химическую активность маг ния и кальция с размещением соответ ствующих элементов в периодической системе. Составьте уравнения реакций маг ния и кальция с водой. Изучив другие реакции металлов (напри мер, с неметаллами, солями), можно обнару жить такую закономерность: м еталли чески й характер элем ентов и хим ическая а к т и в н о с т ь м е т а л л о в у с и л и в а ю т с я в п е р и о д а х сп р а в а н а л е в о , а в г л а в н ы х п о д г р у п п а х — с в е р х у в н и з. Анализируя эту закономерность, приходим к выводу: типичные металлические элементы н а ход я т ся в левом ниж нем углу д л и н н ого вари ант а периодической сист ем ы . Это — Франций, Цезий, Радий. Химическая активность неметаллов — про стых веществ элементов одного периода. Срав ним особенности протекания реакций про 183

стых веществ неметаллических элементов 3-го периода с водородом. Силиций не реагирует с водородом, а фос фор вступает с ним в реакцию при температуре более 300 °С и повышенном давлении: Это и н те р е с н о

Фосфин РН 3 — очень ядовитый горючий газ с запахом гнилой рыбы.

2Р + ЗН2 2РН3. Сера начинает взаимодействовать с водоро дом при температуре 200 °С: Б + Н 2 = НгБ. Смесь хлора с водородом на свету взрывается (в темноте реакция не происходит): С12 + Н 2 = 2НС1. Эти и другие факты свидетельствуют о том, что активность неметаллов в ряду силиций — фосфор — сера — хлор возрастает. Аналогичное изменение химической актив ности наблюдаем для неметаллов, образован ных элементами 2-го периода. Азот реагирует с водородом при нагревании и наличии ката лизатора (продукт реакции — аммиак 1<ГН3). Смеси кислорода и водорода, фтора и водорода взрываются; первая — при поджигании, а вто рая — в обычных условиях и даже в темноте. ► Составьте реакций.

уравнения

соответствующих

Х и м и ч еская акти вн ость нем еталлов — про с т ы х в е щ е с т в э л е м е н т о в г л а в н о й п о д гр у п п ы .

Сопоставим протекание реакций с водородом галогенов — простых веществ элементов глав ной подгруппы V II группы. О реакциях фтора и хлора с водородом гово рилось выше; фтор проявляет больш ую активность, чем хлор. Бром взаимодействует с водородом лиш ь при нагревании и наличии катализатора Вг2 + Н 2 =* 2НВг, а реакция иода с водородом не происходит полностью ни при каких условиях 184

12 + Н 2 2Н1. Таким образом, химическая активность про стых веществ возрастает в ряду иод — бром — хлор — фтор. Н ем еталли ч еск и й характер элем ен тов и хим ическая активность н ем ета лло в уси ли в а ю тся в пери одах слева н а п р а в о , а в г л а в н ы х п о д г р у п п а х — с н и з у в в ер х. Т и п и ч н ы е нем ет аллические элем ент ы н а х од я т ся в правом верхнем углу дл и н н ого вариант а периодической сист ем ы . Это — Ф луор, Х лор, Оксиген.

Материал параграфа обобщен в схеме 17. Усиление металлического характера элементов. Се... хим ической активности V Чг Ра ... металлов

-----------------------------------► ...О Р А

Усиление неметаллического ... С1 характера элементов, хим ической активности неметаллов

С хем а 1 7.

Изменение химического характера элементов и активности простых веществ в периодической системе (длинный вариант)

ВЫВОДЫ

Химический характер элемента обусловлен химическими свойствами его простого вещества. Металлический характер элементов и актив ность металлов усиливаются в периодах справа налево, а в главных подгруппах — сверху вниз. Неметаллический характер элементов и активность неметаллов усиливаются в перио дах слева направо, а в главных подгруппах — снизу вверх. Типичные металлические элементы находят ся в левом нижнем углу длинного варианта периодической системы, а типичные неметал лические элементы — в правом верхнем углу. 185

9 2 5 0 . В че м п р о я в л я е т с я х и м и ч е с к и й х а р а к т е р м е т а л л и ч е с ки х э л е м е н то в , н е м е та л л и ч е ски х э л е м е н то в ? 2 5 1 . К а к о й эл ем е н т т р е ть е го п е рио д а о б р а зу е т н а и б о л е е а кти в н ы й металл, а к а к о й — н а и б о л е е а кти в н ы й нем еталл? Н а зо в и те п о р я д ко в ы е н о м е р а этих эл е м е н то в и н о м е р а гр уп п , в ко тор ы х о н и находятся. 2 5 2 . К а к о е п р о сто е в е щ е ств о д о л ж н о бы ть бол ее а кт и в н ы м в хи м и ч е с ки х р е а кц и я х : л и ти й или натрий, ка л и й или ка л ь ц и й , сера или сел ен, теллур или иод? 2 5 3 . Н а зо в и те эл ем е н ты , ко т о р ы е з а в е р ш а ю т пе р и о д ы . К к а к о м у типу э л е м е н то в о н и о тн осятся и к а к и е пр осты е в е щ е ства о б р а зую т? Что вы зн а е те о х и м и ч е с ко й а кти в н о с т и этих ве щ е ств?

П ериод ическая систем а и хи м и ч ески е свойства соединений М а те р и а л п а р а гр а ф а п о м о ж е т в а м : >■ п р о гн о зи р о в а ть х и м и ч е с ки е св о й ств а вы сш их о кс и д о в и ги д р о кси д о в по по л о ж е н и ю эл ем ен тов в п е р и о д и ч е с ко й систем е; > узн а ть, к а к изм е няе тся ха р а кте р вы сш их о к с и д ов эл е м е н то в в периодах и группах; > в ы ясн и ть х и м и ч е ски е св о й ств а в а ж н е й ш и х со е д и н е н и й элем ентов с Гидрогеном.

Оксиды. Н аиболее характерными для элементов являются высш ие оксиды . В таком оксиде элемент проявляет максимально воз можное для него значение валентности. Оно совпадает с номером группы периодической системы, где находится элемент. Проследим, как изменяются свойства высших оксидов в зависимости от положения элементов в периодической системе. 186

Рассмотрим высшие оксиды элементов 2-го периода (табл. 5). Первый элемент этого перио да — металлический Литий. Он образует основный оксид 1л20 . За Литием следует Бериллий, тоже металлический элемент. Его оксид ВеО — амфотерный. Другие элемен ты этого периода принадлежат к неметал ПЕРИОД лическим элементам. Бор, Карбон и Основные свойства Нитроген образуют кислотные оксиды — В20 3, С02, К 2Оа. У первых двух соединений У 20 ВеО В2Оз С0 2 1Ч20 5 кислотные свойства выражены слабо, а у третьего — в полной мере. Оксида ОксиКислотные свойства гена, разумеется, не существует. Таблица 5

Высшие оксиды элементов 2-го периода 1л Ве В N С О ВеО ы2о в2о3 со2 И20 5 —

Элемент Формула оксида Тип Основ оксида ный

Амфо терный

Кислотный

Б _*

Ке —

—

* Соединение ОБ2 не является оксидом; его название — оксиген фторид.

В п е р и о д а х к и с л о т н ы е св о й ст в а в ы с ш и х о к си д о в у с и л и в а ю т с я с л е в а н а п р а в о , а о с н о в н ы е св о й ст в а — в п р о ти воп олож н ом н аправлении. ► Напишите формулы высших оксидов эле ментов 3-го периода и сопоставьте основ ные и кислотные свойства этих соединений. Подтверждается ли вывод, изложенный выше? Свойства высших оксидов в главных под группах каждой группы элементов также изме няются постепенно. В качестве примера при водим оксиды элементов I I I группы (табл. 6 ). В гл а в н ы х п од гр уп п а х осн овн ы е свойства вы сш их ок си д ов у с и л и в а ю т с я с в е р х у вн и з, а к и с л о т н ы е с в о й ств а — в п р о т и в о п о л о ж н о м н а п р а в л е н и и . 187

Таблица 6 Высшие оксиды элементов главной подгруппы II I группы

Элемент В А1 ва ІП Т1

Формула оксида В2Оз а і 2о 3 Са20 3 1п20 3 Т120 3

Тип оксида Кислотный Амфотерный Основный

► Сопоставьте основные и кислотные свой ства высших оксидов элементов главной подгруппы II группы. Подтверждается ли вывод, изложенный выше? ГЛАВНАЯ ПОДГРУППА Основные свойства

В2О3

А12о 3

0а203 1п 203 т Т12о 3 Кислотные свойства

Гидроксиды. Гидроксид, или гидрат окси да, — это соединение оксида с водой. О соот ветствии свойств оксидов и гидроксидов упо миналось ранее (с. 37, 43, 87). Если гидроксид происходит от основного оксида, то он являет ся основанием, если от амфотерного оксида — амфотерным гидроксидом, а если от кислотно го — оксигенсодержащей кислотой: К а20 => ИаОН основный оксид

основание

А120 3 => А1(ОН)3 амфотерный оксид

амфотерный гидроксид

в 0 3 => Н2в 0 4 кислотны й оксид

кислота

Отсюда следует такой вывод: изменения основных и кислотны х свойств гидратов оксидов в периодах и группах (главны х под группах) должны быть такими же, как и для оксидов. В п е р и о д а х к и с л о т н ы е св о й ст в а ги д р о к с и д о в у с и л и в а ю т с я с л е в а н а п р а в о , а о с н о в н ы е с в о й ст в а — в п р о т и в о п олож н ом н ап равлен и и . 188

В г л а в н ы х п о д г р у п п а х о с н о в н ы е св о й ств а ги д р о к си д о в у с и л и в а ю т с я с в е р х у в н и з , а к и с л о т н ы е св о й ст в а — в проти воп олож н ом н аправлении. Проиллюстрируем эти выводы данными о химическом характере гидратов высших окси дов элементов 2-го и 3-го периодов (табл. 7). Таблица 7

Гидроксиды элементов 2-го и 3-го периодов Группы

ПериоДы

II I

V II

LiOH Ве(ОН)2 Н3В03 Н2С03 HN03 амф. слабая слабая сильная ще лочь гидроксид кислота кислота кислота

NaOH Mg(OH)2 А1(ОН)3 H2Si03 н 3р о 4 h 2so 4 нсю4 амф. ще основа слабая кислота сильная сильная * лочь ние гидроксид кислота кислота кислота

—

П р и м е ч а н и е . Звездочкой обозначена кислота средней силы .

Соединения элементов с Гидрогеном. Вам известны лиш ь несколько таких соединений, в частности хлороводород НС1, сероводород H 2S. Однако они существуют для большинства элементов. Их строение и свойства неодинако вы, они изменяются в периодах и группах, но не так просто и наглядно, как свойства окси дов или гидроксидов. Рассмотрим соединения элементов 3-го периода с Гидрогеном (табл. 8). Первый элемент в этом периоде — Натрий. Он образует соединение NaH (натрий гидрид), которое состоит из ионов N a' и Н . По строе нию, некоторым свойствам и даже внешнему виду (белое кристаллическое вещество) нат рий гидрид напоминает соли , в частности натрий хлорид NaCl. Соединение Магния, сле дующего элемента в периоде, имеет формулу M g H 2. Это также ионное вещество, которое сходно с солями. Соединение Алю м иния с 189

Таблица 8 Соединения элементов 3-го периода с Гидрогеном

Элемент Формула соединения Строение Агрегатное состояние в обычных условиях

Это интересно

Жидкий аммиак (*к„п. = -33°С) реагирует со щелочными металлами как кислота (с выделением водорода). 190

NaH MgH2 Ионное

Al А1Н3 Атомное

Твердое

SiH4 РН 3 H 2S HCl

—

Молекулярное

—

Газообразное

—

Гидрогеном А1Н3 имеет атомное строение и от солей отличается. Силиций и Фосфор находятся в середине периода. Силан S iH 4 и фосфин Р Н 3 — газы, которые почти не растворяются в воде и не реа гируют с ней. Эти вещества состоят из молекул. Далее в периоде размещены Сульфур и Хлор. И х соединения с Гидрогеном — серово дород H 2S и хлороводород НС1 — являются м олекулярны м и веществами. Это — газы, которые растворяются в воде; их растворы ведут себя как кислоты. Строение и свойства большинства соедине ний элементов 2-го периода с Гидрогеном такие же, как и соединений элементов 3-го периода. Приведем несколько примеров. Литий гидрид LiH — ионное кристаллическое вещество, напоминающее соль (как и NaH ). Метан СН4 — газообразное молекулярное со единение, нерастворимое в воде (как и SiH 4). Фтороводород HF — газ, который состоит из м олек ул. Его водный раствор проявляет кислотные свойства; это — фторидная кисло та. Словом, фтороводород похож на хлорово дород НС1. Однако два соединения элементов 2-го перио да с Гидрогеном — аммиак N H 3 и вода Н20 — отличаются соответственно от фосфина Р Н 3 и сероводорода H 2S. Аммиак хоть и является

газом, но его раствор напоминает очень разбав ленный раствор щелочи. А вода — соединение нейтрального характера.

ВЫВОДЫ

Существует связь между химическими свой ствами высших оксидов, соответствующих гидроксидов и положением элементов в перио дической системе. Основные свойства высших оксидов и гидрок сидов усиливаются в периодах справа налево, в главных подгруппах — сверху вниз, а кислотные свойства — в противоположном направлении. Соединения типичных металлических элемен тов с Гидрогеном имеют ионное строение и напо минают соли. Соединения типичных неметалли ческих элементов с Гидрогеном состоят из моле кул. Их водные растворы являются кислотами.

■

2 5 4 . С о д ер ж ит ли п е р и о д и ч е с ка я си сте м а и н ф о р м а ц и ю об о кси д а х? Если да, то к а ку ю и м е н н о и к а к о й в а р и а н т та б ли цы — длинны й, ко р о т ки й ? 2 5 5 . Н апиш ите х и м и ч е с ки е ур а в н е н и я , ко тор ы е по д тве р ж д аю т а м ф отерность: а) б ер ил л ий о кси д а ; б) хром(Ш ) ги д р о кси д а . 2 5 6 . У к а к о го и з со е д и н е н и й о с н о в н ы е (ки сл о тн ы е ) с в о й с тв а д о л ж ны бы ть в ы р а ж е н ы си л ьн е е : а) Ы20 или Ма20 ; б) 5 Ю 2 или Р20 5; в) КОН или Са(ОН)2; г) Н 2Т е04 или Н23 е 0 4? 2 5 7 . К а к о й о кс и д , о с н о в а н и е и кисл о та и м е ю т н а и б ол ьш ие м а с с о вы е доли О кси ге н а среди соед инений с в о е го кл а сса? Вычислите их зн а ч е н и я . 2 5 8 . К а ко й объ ем за н и м а ю т при н орм альны х усл овиях т а ки е оксид ы : се р н и сты й га з м а ссо й 4 г, вода м а ссо й 3 6 г? 2 5 9 . О бъясните наличие п р о п у с ко в в с т р о ке п е р и о д и ч е с ко й систе мы, н а з в а н и е ко то р о й — «Летучие со е д и н е н и я с Гидрогеном». 2 6 0 . З ап и ш и те ф ормулы с о е д и н е н и й К а л ьц и я с Гидрогеном и А рсена с Гидрогеном. К а к о е стр о е н и е д о л ж н о им еть ка ж д о е соедине191

н и є — м о л е кул ярн о е , и о н н ое ? П р е д ска ж и те н е ко то р ы е ф и зи ч е с ки е с в о й с тв а этих со е д и н е н и й . 2 6 1 . М а с с о в а я доля Гидрогена в со е д и н е н и и с д р угим элем ентом со ставл яе т 1 0 %. О пределите эл ем е н т и рассчита йте м ассо в ую долю О кс и ге н а в о кс и д е это го эл ем е нта.

З н а ч е н и е периодического закона. Ж и зн ь и деятельность Д. И. М ен д ел еев а Материал параграфа поможет вам: понять зн а ч е н и е пе р и о д и че ско го за ко н а ; узн а ть о ж и зн е н н о м пути вы даю щ егося ученого Д. И. М енделеева.

Значение периодического закона. Совре менную химию невозможно представить без периодического закона и периодической систе мы элементов. Периодический закон, или закон периодичности, аккумулирует важней шие знания о химических элементах, простых веществах и соединениях. Он позволяет объяс нить многие химические факты, помогает осознать и обосновать различные закономерно сти в мире химических элементов, веществ и их превращений, предсказать возможности получения неизвестных соединений. Открытие Д. И. Менделеевым периодиче ского закона побудило к поискам причин периодичности среди элементов, простых веществ и однотипных соединений. Ученые сконцентрировали свои усилия на исследова нии атомов, их природы. Обнаружение на рубеже X I X — X X вв. сложного строения атома, а позже — и атомного ядра привело к выяснению физической сути периодического закона. Менделеев писал, что « периодическо192

Рис. 73. Д. И. Менде леев в студенческие годы

му закону будущее не грозит разрушением, а только надстройки и развитие обещает». Значение периодического закона для хими ческой науки огромно. Его успешно используют и в других науках; этот закон помогает постичь научную картину материального мира. У ч е ные-биологи доказали, что подобные элементы и их соединения могут выполнять сходные функции в организме, иногда — заменять друг друга. На основании химического анализа горных пород, минералов, руд геологи обнару жили, что подобные элементы часто встреча ются в природе вместе. Исследуя соединения аналогичного состава, физики установили сходство их строения и физических свойств. Периодический закон и периодическая система являю тся основой неорганической химии. Ученикам и студентам не стоит запо минать состав и химические свойства боль шого количества веществ. Это и невозможно сделать. Нуж но научиться выделять, пони мать и прогнозировать главное об элементах и веществах, используя периодический закон и периодическую систему. Ж изнь и деятельность Д. И. Менделеева. Дмитрий Иванович Менделеев родился в си бирском городе Тобольск в 1834 г. Его отец был учителем, затем — директором местной гимназии. Дмитрий, обучаясь в этой гимназии, больш е всего интересо вался математикой и физикой. В 1850 г. Д. И. Менделеев поступил на физико-математический факультет Санкт-Петербургского главного педаго гического института (рис. 73). Здесь он увлекся химией. В 1855 г. Менделеев закончил институт с золотой медалью и был направлен на работу учителем гим назии в г. Симферополь. Из-за Крымской войны он переехал в Одессу, учительствовал в Ришельевской гимназии, а затем возвратился в Петербург, где защитил магистерскую дис сертацию. В 1857 г. Менделееву присудили 193

Это интересно

Русский поэт А. Блок писал о Менделееве: «...Он давно все знает... Его знание наиболее полно. Оно происходит от гениаль ности... »

V*?

ОСВОЙЫ

-М .Л . — 1 . _

Рис. 74. Обложка учебника Д. И. Менде леева «Основы химии» 194

звание доцента; он читал лекции в Петербург ском университете. В 1859— 1861 гг. Менделеев работал в Гей дельбергском университете (Германия), где исследовал физические свойства газов и жид костей. Он установил, что существует темпера тура (так называемая критическая температу ра кипения), выше которой вещество не может находиться в жидком состоянии даже при высоком давлении. Ученый вывел уравнение состояния идеального газа, которое ныне назы вают уравнением Менделеева — Клапейрона. В 1860 г. Менделеев принял участие в I Междуна родном съезде химиков в Карлсруэ. Возвратившись в 1861 г. в Петербург, уче ный продолжает работать в университете, пишет учебник «Органическая х и м и я », разра батывает химическую теорию растворов. В 1865 г. Менделеев защищает докторскую дис сертацию, а в 1868 г. становится профессором Санкт-Петербургского университета. Ученый инициирует создание Русского физико-хими ческого общества (оно существует и по сей день и носит имя М енделеева). У него было много учеников — молодых химиков. В 1869 г. в возрасте 35 лет Д. И. Менделеев открыл периодический закон. Периодическую систему он включил в свой знаменитый учеб ник «Основы химии» (рис. 74), в котором изло жил важнейшие химические знания на основе периодического закона. Менделеев преобра зовал совокупность химических элементов в стройную систему. С того времени наука химия приобрела целостность и логическое совершенство. «Основы химии» были изданы в России при жизни ученого 8 раз, а также во многих других странах. Автор постоянно дополнял и совершенствовал свой учебник. Менделеев имел широкий круг научных интересов в различных областях естествозна ния и промышленности. Он выдвинул теорию минерального (неорганического) происхожде ния нефти, предложил промышленный способ

Рис. 75. Д. И. Менделеев в мантии профессора Эдинбургского университета (Англия). С картины художника И. Е. Репина

Рис. 76. Д. И. Менделеев в последние годы жизни

ее переработки, транспортировку нефти трубопроводом, изобрел способ изготовле ния бездымного пороха. Выдающийся ученый также исследовал изменение давления в атмосфере с высотой, совер шенствовал технику разнообразных измерений, повышал точность взвешива ний, изменяя конструкции весов. Он организовал Главную палату мер и весов. Д. И. Менделеев постоянно давал полез ные рекомендации относительно добычи нефти, выращивания зерновых культур, создал программу развития промышленности России, разрабатывал идеи развития различных обла стей хозяйства, настаивал на тщательном изучении природных ресурсов. Ученый поддерживал тесные связи с Украи ной, химиками Киевского и Харьковского университетов, был избран почетным членом советов Киевского, Харьковского и Одесского университетов. В 1898 г. Менделеев принял участие в создании Киевского политехниче ского института. Он изучал работу угледобы вающей промышленности в Донбассе, предло ж ил идею подземного превращения угля в газообразное топливо. Среди его друзей были известные украинские художники. Мен делеев немного знал украинский язык. Д. И. Менделеев был очень образован ным, высококультурным человеком. Его избрали своим почетным членом свыше 70 академий наук и научных обществ раз ных стран. Ученому присвоили звание профессора Оксфордский, Кембриджский, другие престижные университеты мира (рис. 75). Полное собрание научных работ Менделеева насчитывает 25 томов. В конце жизни Менделеев писал: «...периодический закон, исследование упругости газов, понимание растворов как ассоциаций, «Основы хи м и и ». Здесь все мое богатство. Оно не отнято у кого-то, а создано мной, это мои дети...» (рис. 76). 195

Умер Менделеев в 1907 г. В честь выдающегося ученого, признавая его заслуги перед мировой наукой, было реше но дать открытому американскими учеными в 1955 г. химическому элементу № 101 назва ние Мен-делевий.

ВЫВОДЫ

Периодический закон — основной закон химии. Он устанавливает связь между всеми химическими элементами, позволяет предска зать их характер, свойства простых веществ и соединений. Периодический закон используют физики, биологи, геологи, ученые других специальностей. Изучать химию, не опираясь на периодиче ский закон и периодическую систему элементов, невозможно. Дмитрий Иванович Менделеев, открыв периодический закон и создав периодическую систему элементов, стал одним из выдающихся химиков. Он много сделал для развития химиче ской науки, промышленности, образования, поддерживал тесные связи с Украиной.

2 6 2 . П очем у п е р и о д и ч е с ки й з а к о н с п о с о б с тв о в а л о ткр ы ти ю новы х х и м и ч е с ки х э л е м е н то в ? 2 6 3 . К а к о в ы в о з м о ж н ы е п р и ч и н ы н а хо ж д е н и я п о д о б н ы х эл ем е н тов в одном м и н ер а л е? 2 6 4 . П очем у х и м и ку Д. И. М е н д е л е е в у удалось сделать м н о го п о л е з н о го для р а зл и ч н ы х о тр а сл е й п р о м ы ш л е н н о с ти , в ы д в и н уть идеи р а ц и о н а л ь н о го о с в о е н и я п р и р о д н ы х р е сур со в ? 2 6 5 . Узнайте из литературы, Интернета, ка ки е вы сш ие учебны е з а в е дения, научно-исследовательские институты н азваны им енем М ен делеева, ка ки е почтовы е м арки и монеты выпущ ены в честь учено го, откры того им периодического за ко н а и созданной периодиче ско й системы. Р асскажите о результатах поиска на уроке химии. 196

-м- раздел

Химическая связь и строение вещества

Атомы почти всех элементов не могут долго существовать поодиночке. Они соединяются с такими же или другими атомами. Многие атомы металлического элемента, соединяясь вместе, образуют металл. Алмаз, графит, крас ный фосфор состоят из соединенных между собой атомов неметаллических элементов. Два атома Оксигена объединяются в молекулу 0 2; из таких молекул состоит газ кислород. Вода содержит молекулы Н 20 , каждая из которых образована двумя атомами Гидрогена и одним атомом Оксигена. Натрий хлорид ЫаС1 состоит не из молекул, а из ионов Иа+ и С1 . Соединение частиц любого типа происходит с выделением энергии. В заи м од ей стви е м еж д у а том а м и , м о л е к у л а м и , и он а ми, б ла го д а р я к отор ом у части ц ы удер ж и ваю тся вм е сте, н а зы в а ю т х и м и ч е с к о й с в я з ь ю . Почему и как соединяются атомы? Чем обусловлено превращение электронейтральных атомов в заряженные частицы — ионы? Как зависят физические свойства веществ от их строения? Ответы на эти и другие вопросы вы найдете в материале данного раздела. Узнаете и о том, что при образовании химиче ской связи электронные оболочки атомов пре терпевают определенные изменения. 197

Устойчивость электронны х оболочек. П р ев р ащ ен и е атом ов в ионы Материал параграфа поможет вам: > > >

понять, к а к и е э л ектро н н ы е о б о л о чки а том о в и и о н о в являю тся са м ы м и усто йчивы м и; о п р е д е л я ть э л е к т р о н н о е с т р о е н и е пр о сты х ка ти о н о в и а н и о н о в ; вы яснить, чем ионы отличаю тся о т атом ов.

Электронное строение атомов инертных элементов. Среди всех простых веществ лишь инертные газы — гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон — состоят из отдельных ато мов. Д олгое время ученым не удавалось осу ществить химические реакции с участием инертных газов; их атомы «не хотели» соеди няться с атомами других элементов1. Причина химической пассивности этих веществ стала понятной позже, после открытия строения атомов. Электронное строение атомов первых трех инертных элементов таково: 1в

Два электрона в атоме Гелия заполняют пер вый энергетический уровень. Электронная 1 Сравнительно недавно были получены некоторые соединения Криптона, Ксенона и Радона с Флуором и Оксигеном. 198

оболочка атома Неона состоит из двух запол ненных уровней: первый содержит 2 электрона, а второй — 8. В атоме Аргона, кроме этих уровней, есть третий, незавершенный. На нем размещаются 8 электронов, которые заполняют Зв- и Зр-подуровни. Атомы Криптона, Ксенона и Радона также имеют на последнем (незавершенном) энерге тическом уровне по 8 электронов (среди них — два з-электрона и шесть р-электронов). Учитывая химическую пассивность инерт ных газов и строение атомов соответствующих элементов, приходим к такому выводу: внеш няя 8-элект ронная оболочка являет ся для атома вы годной и уст ойчивой1. Ее часто назы вают электронным окт етом1 2. Образование полож ительно заряженных ионов. Натрий (элемент № 11) находится в периодической системе после инертного элемента Неона. Электронная формула атома Натрия — 1з22з22р63з'. На последнем энерге тическом уровне в атоме имеется лиш ь один электрон, а на предпоследнем — октет элек тронов (2з,22р6). Не удивительно, что атом Нат рия легко теряет Зв-электрон. Какая же час тица образуется при этом? Ядро атома не изменяется (а значит, и сам элемент). В нем содержится 11 протонов (заряд ядра равен + 11), а электронов становится на один мень ше, т. е. 10 (их суммарный заряд равен —10). Электронейтральный атом превращается в частицу, которая имеет заряд: + 11 — 10 = +1. Это — ион Натрия Иа+. Его электронное строе ние такое же, как и атома инертного элемента Неона; ион Натрия является устойчивой частицей с внешним электронным октетом. Запишем схему превращения атома Натрия в ион и электронные формулы этих частиц: 1Устойчивость атома Гелия обеспечивает единственная, заполнен ная двумя электронами, 1з-орбиталь. 2Слово происходит от латинского осЬо — восемь. 199

Иа —е~ —> Ыа+; атом N3 — І822822р63в1, или [Ке]3в‘ ; ион К а + — 1в22822р6, или [Ие]. Э л ек т р онн ы й октет м о г б ы о б р а з о в а т ь с я и н а ч е — в результате п р и с о е д и н е н и я к е д и н ст вен н ом у в н е ш н е м у элект рону атома Натрия е щ е с е м и . О дн а к о эт ого н е происходит . О ч е в и д н о, атому л е г ч е отдать о д и н электрон, чем п р и соединит ь се м ь .

Вы знаете, что положительно заряженные ионы называют катионами. В каждом катионе содержится больше протонов, чем электронов. Катионы N 3 ' входят в состав почти всех со единений Натрия, среди которых — оксид К а20 , гидроксид КаОН, различные соли. ► Напишите схему превращения атома Маг ния в соответствующий ион и приведите электронные формулы обеих частиц. А т о м ы м е т а л л и ч е с к и х э л е м е н т о в и м е ю т на вн еш н ем эн ер гети ч еск ом ур овн е н еб о льш о е к о ли ч ес тв о э л е к т р о н о в (к а к п р а в и л о , о т о д н о г о д о т р е х ) и с п о с о б н ы от (а в а т ь и х, п р е в р а щ а я с ь в к а т и о н ы . О бразован ие отри цательн о заряж ен н ы х и о н о в . В атоме элемента № 1 7 Хлора на внеш

нем энергетическом уровне находится 7 элек тронов (3в23р5). Этот атом способен присоеди нить один электрон (который может отдать ему, например, атом Натрия) и превратиться в ион С1 . Электронное строение иона Хлора такое же, как и атома инертного элемента Аргона. Схема превращения атома Х лора в ион и электронные формулы этих частиц таковы: С1 + е —» С1 ; атом С1 — 1в22в22р63а23р5, или [Ке]3в23р5; ион СГ — 1в22з22р'’3823рв, или [А г]. 200

Отрицательно заряженные ионы называют анионами. В состав каждого аниона входит больше электронов, чем протонов. Анионы СГ содержатся в солях хлоридной кислоты — натрий хлориде ЫаС1, кальций хлориде СаС12и др. ► Напишите схему превращения атома Оксигена в соответствующий ион и приведите электронные формулы обеих частиц. А т о м ы н е м е т а л л и ч е с к и х э л е м е н т о в (к р о м е и н е р т н ы х ) и м е ю т на в н еш н ем э н е р ге т и ч е с к о м у р о в н е о т ч е т ы р е х д о сем и э л е к т р о н о в и с п о с о б н ы п р и с о е д и н я т ь д о п о л н и тельн ы е электрон ы , п ревращ аясь в анионы . Б ольш инст во пр ост ы х ( одн оа т ом н ы х ) ионов содержат на внешнем энергетическом уровне окт ет электронов. О т л и ч и я и о н о в о т а т о м о в . Катион и атом Натрия имеют одинаковые заряды ядер (+11), анион и атом Х лора — тоже (+ 1 7 ). Однако состав электронных оболочек, размеры (радиу сы), свойства простого иона и атома каждого элемента различны. Кроме того, ионы — заря женные частицы, а атомы — электроней трал ьные. Электронное строение атомов Ка и С1, ионов Ыа+ и СГ, а также радиусы этих частиц приве дены на схеме 18. Сопоставив радиусы атомов и ионов, катио нов и анионов, можно обнаружить такие зако номерности: • радиусы катионов меньше, чем радиусы соответствующих атомов; • радиусы анионов и соответствующих ато мов почти одинаковы; • радиусы большинства анионов превышают радиусы катионов. Сравним некоторые свойства катиона и атома Гидрогена. Ионы КГ содержатся в водном рас творе кислоты и придают ему кислый вкус. 201

ї в 2 2б 22р 6

Зб1

1э 2 2 б 22р 6 З б 2Зр 5 Р (№ ) > Я(СІ) 0 ,1 7 1 н м * 0 ,0 7 2 нм

1э2 2Б22ре [Ме]

«(N8*) < /?(№) 0 ,0 2 8 нм *

0 ,1 7 1 нм

їв 2

Я?(№+) < Я(СГ) 0 ,0 2 8 нм 0 ,0 7 4 нм

2з2р

3 в 23 р ь [А г]

«(СІ ) а Я?(СІ) 0 ,0 7 4 нм 0 ,0 7 2 нм

1 нм (нанометр) составляет 10 9 м.

Схема 18. Характеристики атомов и ионов Натрия и Хлора

Атомы Гидрогена таким свойством не обладают. В отличие от ионов, они легко соединяются друг с другом в молекулы Н 2, из которых состоит простое вещество — водород.

выводы Наиболее устойчивая внешняя электронная оболочка атома или простого иона содержит восемь электронов. А т о м ы м е т а л л и ч е с к и х э л е м е н т о в сп о с о б н ы

отдавать электроны внешней оболочки и пре вращаться в катионы, а атомы неметалличе ских элементов — присоединять электроны и превращаться в анионы. Катионы имеют меньшие радиусы, чем соот ветствующие атомы. Радиусы анионов почти не отличаются от радиусов атомов. 202

9 и 2 6 6 . Что общ его в электронном строении атом ов инертных элементов? 2 6 7 . К а ка я частица со д е р ж и т больш е э л е ктр о н о в : а) атом или со от ветствую щ ий ка тио н ; б) атом или со ответствую щ ий а н ион ? 2 6 8 . К а к и е иэ эл ем ентов — ИЬ, Аг, Б, N. А1 — сп о со б н ы о б р а з о в ы в а ть ка тио н ы , а к а к и е — ан ион ы ? О пределите за р я д иона к а ж д о го элем ента и н а пи ш и те формулы этих частиц. 2 6 9 . С оставьте э л е ктр о н н ы е ф ормулы и о н о в Ве2+, Р3~. ^ и К +. 2 7 0 . Н а зо в и те три ка ти о н а и д ва а н и о н а , ко то р ы е им ею т та кую ж е эл е ктр о н н ую оболочку, что и ион Р~. 2 7 1 . К а ко й атом им еет т а к о е ж е э л е ктр о н н о е строение, что и ион А лю м иния? Н апиш ите эл е ктр о н н ую ф ормулу частицы и и з о б р а зите ее гр а ф и че ски й вариант. 2 7 2 . В атом е к а к о г о элем ента со д ер ж ится на 2 эл е ктр о н а м еньш е, чем в ионе М а гния? 2 7 3 . Составьте эл ектро нную ф ормулу частицы , которая им еет 1 6 пр о то н о в и 1 8 эл ектро н о в. Н а зо в и те эту частицу. 2 7 4 . Гидроген — е д и н ств е н н ы й элемент, для ко т о р о го и зв е стн ы и ка ти о н , и а н ион . Н апиш ите хи м и ч е с ки е формулы этих и о н о в и схем ы их о б р а зо в а н и я и з атом а. К а ка я частиц а им еет н а и м е н ь ший радиус — ка ти о н , а н и о н или атом Гидрогена? П очему? 2 7 5 . У каж ите частиц у с на иб ол ьш им и н а и м е н ьш и м радиусом : атом Аг, ионы К *, Са2*, С Г . О твет обоснуйте.

Ионная связь. Ионные соединения Материал параграфа поможет вам: > вы яснить, к а к соединяю тся ионы друг с другом; > понять строение ионны х вещ еств; > о б ъ я сн я ть ф и зи ч е ски е св о й ств а соед ин е н ий, состоящ их из ионов.

И о н н а я с в я з ь . И о н н ы е с о е д и н е н и я . Многие

вещества состоят из ионов. Полож ительно заряженные ионы в результате действия элек 203

тростатических сил соединяются с отрица тельно заряженными. В за и м о д е й с т в и е м е ж д у п р о т и в о п о л о ж н о з а р я ж е н н ы м и и о н а м и в в ещ ест в е н а зы в а ю т и о н н о й с в я з ь ю . Катион и анион притягиваются друг к другу тем сильнее, чем больше заряд каждой части цы и чем меньше расстояние между ними, а в случае их контакта — чем меньше их радиу сы. На это указывает один из законов физики, который вы будете изучать в 9 классе. С оед и н ен и я , с о с т о я щ и е из и он ов, н а зы в а ю т и о н н ы м и соедин ен иям и . К ионным соединениям относятся основные и амфотерные оксиды, щелочи, соли. Все эти вещества содержат катионы металлических элементов (например, Na+, Са2% А13'). Аниона ми в ионных оксидах являются ионы О2 , в щелочах — ОН , а в солях — ионы кислотных остатков (Cl , N 0 3, SO| , РО| и др.). Отметим, что из ионов состоят некоторые другие бинарные соединения, образованные типичными металлическими элементами, например L i3N, M g3P 2, NaH. Вместе с тем ни одно соединение двух неметаллических эле ментов, например хлороводород НС1, углеки слый газ С02, не содержит ионов. Вы уж е научились составлять формулы ионных соединений — оксидов металличе ских элементов, оснований, солей. Напомним, что для этого нужно знать состав и заряды соответствующих катиона и аниона. Помните: в ионном соединении сумма зарядов всех кат ионов и анионов равна нулю. ► Составьте формулу феррум(Ш) сульфата. Формула ионного соединения указывает на соотношение в нем катионов и анионов. 204

Строение ионных соединений. Все ионные соединения в обычных условиях являются, как правило, кристаллическими веществами. Кри сталлическое строение имеют многие молеку лярные и атомные вещества, а также металлы. Из курса химии 7 класса вам известно, что кристалл — это естественное твердое тело, которое имеет плоские грани (поверхности) и прямые ребра (стыки поверхностей). Такая форма тела является результатом четкой последовательности в размещении атомов, молекул или ионов в веществе. Кристаллы каждого вещества имеют харак терную форму (рис. 77). Если посмотреть на поваренную соль через увеличительное стек ло, то увидим множество бесцветных прозрач ных кубиков.

Рис. 77.

Природные кристаллы

Кроме кристаллических, существуют аморф ные твердые вещества. К ним, в частности, относится стекло. Оно состоит из катионов Ыа*, Са2* и анионов различных силикатных кислот. Даже в изготовленном стеклянном кубике или предмете другой правильной формы отсутству ет порядок в расположении ионов. Если сте клянный предмет разбить, то получим осколки произвольной, несимметричной формы; их поверхности не будут плоскими, а ребра — пря мыми.

В кристалле ионного вещества каждый катион находится в контакте с определенным количеством анионов, а анион — с таким же или другим количеством катионов. В любом направлении наблюдается строгое чередова ние катионов и анионов. Последовательность размещения ионов вну три кристалла зависит от состава вещества, т. е. соотношения катионов и анионов, а также от соотношения радиусов этих частиц. Кристаллическая решетка. Внутреннее строение кристаллов описывают с помощью модели, название которой — кристаллическая 205

решетка. Это схема или объемный макет раз мещения частиц в небольшой части кристалла (рис. 78). Исходя из такой модели, можно вос произвести строение вещества в целом. Рис. 78. Кристаллические решетки ионных соединений: а — упрощенные модели; б — масштабные модели. Желтые шарики — катионы N8*, «кирпичные» — Са2+; зеленые — анионы СГ, синие — Р-

Шарики в кристаллической решетке имити руют частицы вещества — ионы, атомы, моле кулы. Они размещены в так называемых узлах крист аллической реш ет ки. В упрощенных моделях (рис. 78, а) шарики имеют произволь ные радиусы и не касаются друг друга. Суще ствуют еще и масштабные модели (рис. 78, б). В них радиусы шариков пропорциональны радиусам частиц и ближайшие шарики кон тактируют друг с другом (частицы, как прави ло, плотно «упакованы» в кристалле). Упро щенная модель является более наглядной, так как маленькие шарики в ней не мешают «загля н уть» внутрь кристалла. Ее мы будем использовать чаще. Ф и з и ч е ск и е с в о й ст в а и о н н ы х соеди нен и й .

Ионы соединяются друг с другом достаточно прочно. Д ля того чтобы разрушить ионную 206

Это интересно Некоторые соли Лития имеют невысокие температуры плавления: 1лЫ03 253 °С, 1лСЮ3 129 °С, ЫСЮ4 247 °С.

связь, необходимо затратить немалую энер гию. Этим объясняют высокие температуры плавления и кипения большинства ионных веществ. При плавлении кристаллы разруша ются, связи между ионами ослабевают, а при кипении ионы отделяются друг от друга и «вылетают» из жидкости. Натрий хлорид ИаС1 плавится при температуре +801 °С (ее нельзя достичь, нагревая вещество с помощью спир товки или лабораторной газовой горелки), а кипит при температуре 1440 °С. Температуры плавления и кипения другого ионного соедине ния — магний оксида М^О — еще выше: 2825 и 3600 °С. Объяснить это можно так. Ионы М&2+ и О2 имеют большие заряды и меньшие радиусы, чем ионы И а4' и СГ соответственно, и потому прочнее соединяются. Для того чтобы расплавить магний оксид, нужно нагреть со единение до более высокой температуры. Ионные вещества в твердом состоянии не проводят электрический ток, а в жидком (рас плавленном) являются электропроводными. Известно, что электрический ток представля ет собой направленное движение заряженных частиц (электронов, ионов). В кристалле ионы занимают фиксированные положения и пере мещаться не могут. Во время плавления веще ства кристаллы превращаются в жидкость, в которой ионы перемещаются в произвольных направлениях. При погружении в расплав элек тродов, соединенных с источником постоянного тока (аккумулятором), катионы начинают дви гаться к отрицательно заряженному электроду, анионы — к положительно заряженному. Так в расплавленном ионном веществе возникает электрический ток.

Вещества атомного и молекулярного стро ения в любом агрегатном состоянии не проводят электрический ток, поскольку состоят из электронейтральных частиц — атомов, молекул. 207

выводы И о н н а я с в я з ь — э т о в з а и м о д е й ст в и е м е ж д у п р отивоп олож но заряж ен н ы м и ионам и в вещ е стве. К и о н н ы м с о е д и н е н и я м о т н о с я т с я м н о ги е окси ды м ета л л и ч еск и х эл ем ен тов, щ елочи, сол и , а та к ж е д р уги е би н ар н ы е соеди нен и я ти п и ч н ы х м е та л л и ч е с к и х эл ем ен то в. Б о л ь ш и н ств о и о н н ы х со ед и н ен и й в о б ы ч н ы х у с л о в и я х н а х о д я т с я в к р и ста л л и ч е ск о м с о ст о я нии . И х стр о ен и е о п и сы в а е т м о д ел ь — к р и с т а л л и ч еск а я р еш етк а. К аж ды й ион в к р и стал л е и он н ого со ед и н ен и я о к р уж ен н еск о л ьк и м и п р о ти в о п о л о ж н о за р я ж ен н ы м и и он ам и . И он н ая св я зь довольн о п р оч н ая. П оэтом у и он н ы е в е щ е с т в а и м ею т в ы с о к и е те м п е р а ту р ы п л а в л е н и я и ки п ен и я . В р а сп л а в л е н н о м с о с т о я нии он и п р о в о д я т эл ек тр и ч еск и й то к .

?■ 2 7 6 . К а ку ю х и м и ч е с ку ю с в я з ь н а з ы в а ю т и о н н о й ? Что т а ко е ио н н ы е со ед и н е н и я ? 2 7 7 . У ка ж и те х и м и ч е с ки е ф орм улы , п р и н а д л е ж а щ и е и о н н ы м ве щ е ства м : С 0 2, 0 2, А120 3, NH3, N a2S, HCl, BaF2, Fe. О бъясните свой вы б о р . 2 7 8 . Н апиш ите ф ормулы и о н о в , и з ко то р ы х состоят: а) о кс и д ы ZnO, Сг2Оэ; б) о с н о в а н и я LiOH, Ва(ОН)2; в) соли N a N 0 3, Fe3(P 0 4)2. 2 7 9 . Составьте формулы со е д и н е н и й , о б р а зо в а н н ы х та ки м и ионам и: а) Ag+ и О2-; в) Fe3+ и N 0 3; б) S r2+ и О Н "; г) К + и S 0 | “ . 2 8 0 . Что такое кристаллическая реш етка? К а ки е частицы разм ещ ены в узлах кристаллических реш еток таких вещ еств: CaS, M g 3 N2, NaH? 2 8 1 . И з уп р ощ ен н о й м одели кр исталл а натрий хлорида (рис. 7 8 , а) вид но, что а н и о н СГ , ко то р ы й находится в ц ентре куб а , о кр у ж е н ш естью б л и ж а й ш и м и ка ти о н а м и fsla+. У читы вая, что ка ж д а я из гр а н е й э т о го куб а п р и н а д л е ж и т и д р уго м у та ко м у ж е кубу, с к а ж ите : 208

а) с к о л ь к о и о н о в С Г о к р у ж а е т ион № +, ко то р ы й находится в п р а в о й н и ж н е й в е р ш и н е куб а; б) с ко л ь ко и о н ов Ма+ ко н та кти р уе т с л е вы м в е рхн им ионом С Г? 2 8 2 . К а к о е и з с о е д и н е н и й , н а ваш взгл яд , и м ее т б ол е е в ы с о ку ю те м п е р а тур у п л а в л е н и я: а) и 20 или 1Ма20 ; б) ГУ^О или ГУ^Р2? О тветы обоснуйте. 2 8 3 . В ы числ ите м а с с о в ы е доли и о н о в в та ки х со е д и н е н и ях: N ^ N 2 , К 2С 0 3, Ва(ОН)2.

Ковал ентная связь

Материал параграфа поможет вам: > >

Это интересно В металлах существует особая химическая связь. Ее название — металли ческая. 8 Химия, 8 кл.

вы яснить, к а к соединяю тся атом ы д р уг с другом ; р азл и ча ть простую , д в о й н ую и тройную к о в а лентную с в я зь .

Соединяться могут не только противопо лож но заряженные ионы, но и электронейтральные атомы — одинаковые или разные. Благодаря этому существуют вещества моле кулярного и атомного строения. С в я з ь в м о л е к у л е Н 2. Рассмотрим, как обра зуется м олекула водорода Н 2 из двух атомов Гидрогена. Каждый атом имеет один электрон (рис. 79, а). Электронная формула атома Г идрогена — 1а1, а ее графический вариант І8 Д ля того чтобы образовалась молекула Н 2, двум атомам Гидрогена необходимо сблизить ся. С уменьшением расстояния между ними усиливается притяжение электронов каждого атома к ядру другого атома. В определенный момент орбитали двух атомов сконтактируют (рис. 79, б ), а затем начнут проникать друг в друга. При этом будет возрастать отталкива ние между одноименно (положительно) заря женными ядрами атомов. Когда силы притя209

Рис. 7 9 .

Образование молекулы Н2: а — два отдельных атома Гидрогена; б — контакт атомов;

в, г,д — молекула Н2 с перекрывшимися орбиталями и разным размещением электронов

женин и отталкивания уравняются, атомы остановятся (рис. 79, в). Через область перекры вания орбиталей электроны будут переходить от одного атома к другому (рис. 79, в, г, д). Так формируется общая для двух атомов электрон ная пара. Каждый атом Гидрогена «при обретает» дополнительный электрон и выгод ную электронную оболочку (как у атома Гелия). С вязь м еж д у а том а м и , о б у с л о в л е н н у ю обр а зов а н и ем общ и х элек тр о н н ы х пар, н азы ваю т к о ва л е н т н о й 1 связью . Связь в м олекуле водорода изображают двумя способами: Н : Н или Н —Н. Первую запись называют элект ронной формулой м олекулы ; в ней каждый электрон обозначают точкой. Вторая запись — графическая форму ла; она знакома вам из курса химии 7 класса. Отныне вы будете знать, что черточкой обозна чают общую электронную пару. 1 Слово происходит от латинской приставки со (в переводе — с, вместе) и термина «валентность». 210

Образование молекулы водорода из атомов можно представить такой схемой: Н- + Н - у Н : Н Связь в молекуле HCL Рассмотрим, как со единяются два разных атома — Гидрогена и Хлора. ► Запишите электронные формулы этих ато мов.

Рис. 8 0 . П ер е кры ва ни е орбиталей атом ов при о б р а зо в а н и и м олекулы НСІ

В атоме Гидрогена имеется один электрон, а в атоме Х лора на внешнем энергетическом уровне — 7 электронов, из которых один — неспаренный. Атомам выгодно получить по дополнительному электрону. Первый атом заполнит свой единственный энергетический уровень, а второй будет обладать внешним электронным октетом (3б-23р6). В результате сближения атомов происходит перекрывание 1« орбитали атома Гидрогена и Зр-орбитали атома Хлора (рис. 80); из соответ ствующих неспаренных электронов формиру ется общая электронная пара. Н

СІ

—

СІ

Электронная и графическая формулы моле кулы хлороводорода, а также схема образова ния молекулы из атомов таковы: Н : С1; Н - С1 Н- + С1 -► Н : С1 Ф орм улу молекулы с обозначением общей электронной пары называют упрощ енной электронной формулой. Если указать все внешние электроны каждого атома, то полу чим полную электронную формулу. Соответ ствующая схема образования молекулы хло роводорода имеет такой вид: Н- + •С1: -> Н:С1: 211

Связь в молекулах 0 2 и N 2. Между атомами Оксигена в молекуле кислорода 0 2существует ковалентная связь, которая отличается от свя зей в молекулах Н 2 и НС1. Электронная формула атома Оксигена — ls z2s22p4, ее графический вариант — 2р T \n T 2s Т і Э то интересно

Двойную и тройную связи называют кратными связями.

ls TJ. В р-орбиталях атома находятся два неспа ренных электрона. При соединении двух ато мов Оксигена эти электроны образуют две общие электронные пары: О Ч -О —> 0 ::0 Теперь каждый атом имеет октет внешних электронов. П олная электронная формула молекулы кислорода — 0 " 0 , а графическая — • О

• •

0= 0.

• О • o s Si : о : •• о •о : si : О î •• О •

• о Si : о •• о Si î о . •• О •

Рис. 8 1 . Ковалентны е связи в силиций(ІУ) о кси д е S i0 2

Ковалентную связь, реализуемую с по мощью одной общей электронной пары (например, в молекулах Н 2, НС1), называ ют простой связью, а с помощью двух пар (в м олекуле02) — двойной. Существует еще и тройная связь, которая осуществляется за счет трех общих электронных пар. Ею соединены атомы в молекуле азота N 2: :N ::N : N s N Из вышеизложенного следует, что необходимым условием для образования ковалентной связи между атомами являет ся наличие у каждого из них одного или не скольких неспаренных электронов. Запом ните: ковалент ной связью соединяют ся атомы неметаллических элементов. Ковалентная с в я з ь существует в простых и слож ных вещ ест вах н е только молекулярного, но и атомного строения (рис. 8 1). Она отсутству ет только в инертных газах.

212

Рис. 8 2 . ( j-Связь в молекуле водорода

о-Связь1 и я-связь. В м олекуле водорода Н 2 область перекрывания s-орбиталей атомов Гидрогена расположена на пути прямой, со единяющ ей центры атомов. Такую связь называют а-связъю1 (рис. 82). Она существует и в м олекуле НС1, где перекрываются s-орби таль атома Гидрогена и р-орбиталь атома Хлора (рис. 80). Рассмотрим, как перекрываются орбитали с неспаренными электронами в м олек уле кислорода. Пара р-орбиталей, направленных друг к другу (рис. 83, а), образует один общий участок. Это о-связь. Две р-орбитали, разме щенные параллельно друг другу (рис. 83, б ), перекрываются с образованием двух общих участков. Эти участки располож ены над и под линией, соединяющей центры атомов. Такую связь называют п-связью. У(г)f

Рис. 8 3 . сг-Связь (а) и л -свя зь (б) в молекуле кислорода

H —H 0=0 N ±*r

P yW

py(z)

о Если простая связь всегда является о-связью, то двойная связь состоит из одной ст-связи и одной л-связи. Составными частями тройной связи (например, в м олекуле Ы2) являю тся одна о-связь и две л-связи. Область перекрывания орбиталей в случае о-связи больш е, чем в случае л-связи. А чем больш ая часть пространства одновременно принадлежит двум орбиталям, тем чаще элек троны переходят от одного атома к другому. Поэтому о-связь прочнее и выгоднее л-связи.

1Буква греческого алфавита о читается «сигма». 213

выводы Ковалентная связь реализуется вследствие образования одной, двух или трех общих элек тронных пар за счет неспаренных электронов атомов. Связь между атомами с помощью одной общей электронной пары называют простой, двух пар — двойной, трех пар — тройной. Ковалентными связями соединяются друг с другом атомы неметаллических элементов. Если орбитали неспаренных электронов пере крываются на одном участке пространства, то связь называют ст-связью, а если на двух участ ках — я-связью. Простая ковалентная связь всегда является <т-связью, двойная связь состо ит из о- и я-связи, а тройная — из ст-связи и двух 71-связей.

2 8 4 . К а ку ю с в я з ь н а з ы в а ю т ко в а л е н тн о й ? М еж д у к а к и м и ча стиц ам и она реализуется? 2 8 5 . П о че м у не м о гут у ч а с т в о в а т ь в о б р а з о в а н и и ко в а л е н тн о й с в я з и : а) атом М а гн и я ; б) атом Н еона? 2 8 6 . Среди п р и в е д е н н ы х ф ормул у ка ж и т е те, ко то р ы е п р и н а д л е ж а т в е щ е ств ам с ко в а л е н тн о й с в я зь ю : 12, Н 20 , № В г, ВаБ, К 20 , Са 3Г^2, N N 3. 2 8 7 . З а п и ш и те у п р о щ е н н ы е и по л н ы е э л е к т р о н н ы е ф орм улы , а т а к ж е гр а ф и ч е ски е ф ормулы м олекул Р2, РН 3 и 5 0 2. 2 8 8 . Р ассм отрите о б р а з о в а н и е ко в а л е н тн о й с в я зи при со ед и н е н и и двух а то м о в Хлора в м ол е кул у С12. Н а зо в и те о рб итал и, ко тор ы е п е р е кр ы в а ю тс я . О пиш ите о со б е н н о сти этой с в я зи . 2 8 9 . С ко л ь ко сущ ествует в а р и а н т о в п е р е кр ы в а н и я : а) д вух з-о р б и та лей; б) в -орби тал и и р -о р б и та л и ; в) двух р -о р б и та л е й ? Н а р исуй те схем ы п е р е кр ы в а н и я орб ита л е й, у к а з а в а - и л -с в я зи . 2 9 0 . О ха р а кте р и зуй те хи м и ч е с ку ю с в я з ь в м ол екул е воды . С о ста в ь те схем ы о б р а з о в а н и я этой м олекулы и з а то м о в Гидрогена и О кс и ге н а , испо л ьзуя уп р о щ е н н ы е и полны е э л е ктр о н н ы е ф ор мулы ч а с ти ц . И з о б р а з и т е гр а ф и ч е с ку ю ф орм улу м ол е кул ы воды . 214

Полярная и неполярная ковалентная связь. Электроотрицательность атомов М а те ри а л п а р а гр а ф а п о м о ж е т в а м : > >

понять, почем у в м олекуле на атом ах разны х эл ем ентов в о зн и ка ю т э л е ктр и ч е ски е заряды ; вы яснить, к а к о е св о й ств о атома н а зы в а ю т э л е к троотрицательностью .

Сложных веществ существует значительно больше, чем простых. Поэтому ковалентная связь между разными атомами встречается чаще, чем между одинаковыми. Может ли атом одного элемента «перетяги вать» общую электронную пару от атома дру гого элемента? Чтобы ответить на поставленный вопрос, рассмотрим молекулу хлороводорода НС1. В соответствии с результатами исследований в этой м олекуле два электрона ковалентной связи чаще находятся в атоме Хлора, чем в атоме Гидрогена. Общая электронная пара ока зывается смещенной к атому Хлора. Этот атом приобретает небольшой отрицательный заряд, который меньше единицы (он равен —0,2), а атом Гидрогена — такой же заряд по значению, но положительный (+0,2). Дробные заряды на атомах обозначают греческой буквой Ô («д ель т а ») вместе со знаком «плю с» или «минус». Рассмотренную особенность ковалентной связи изображают так: Н->С1 или НС1. К о в а лен тн у ю связь, в котор ой одна и ли н еск ольк о о б щ и х э л е к т р о н н ы х п а р с м е щ е н ы к о д н о м у и з а том ов , н а зы в а ю т п о л я р н о й с в я з ь ю , а п р и о т с у т с т в и и т а к о го см е щ ен и я — н е п о л я р н о й . 215

С войство атом а эл ем ен т а см ещ а ть в свою стор он у элек тр о н н ую пару, о бщ ую с др уги м а том ом , н азы в аю т эл ект роот ри ц а т ел ьн ост ью . Учитывая полярность ковалентной связи в молекуле НС1, можно утверждать, что Хлор — более электроотрицательный элемент, чем Гидроген. Для количественной оценки электроотрица тельности элементов используют таблицу, составленную американским ученым Л . Полин гом (табл. 9). В соответствии с ней наименее электроотрицательным элементом является Цезий, а наиболее электроотрицательным — Флуор. Металлические элементы имеют более низкие значения электроотрицательности, чем неметаллические. Это и понятно, так как атомы металлических элементов способны терять электроны и превращаться в катионы, а атомы неметаллических элементов — присоединять электроны и превращаться в анионы. Таблица 9 Значения электроотрицательности элементов 1—3 периодов

^ ''''\ Г р у п п ы Периоды''''--^ 1 2 3

I Н 2,1 Li 1,0 Na 0,9

III

VII

VIII Не

Ве 1,5 Mg 1,2

В 2,0 Al 1,5

С 2,5 Si 1,8

N 3,0 P 2,1

О 3,5 S 2,5

F 4,0 Cl 3,0

Ne — Ar —

В периодах элек тр о отр и ц а тельн о сть элем ен тов возрас т а е т с л е в а н а п р а в о , а в г р у п п а х (г л а в н ы х п о д г р у п п а х ) — с н и з у в в ер х . В таблице 9 отсутствуют значения электро отрицательности Гелия, Неона, Аргона. Атомы этих элементов не способны соединяться с дру 216

Это интересно

Электричес кий заряд на каждом атоме Гидрогена в молекуле воды составляет +0,17, а на атоме Оксигена -0,34.

Это интересно

Химическая связь с макси мальной поляр ностью — ионная связь.

гими атомами, а также превращаться в катио ны или анионы. Предсказать полярность или неполярность ковалентной связи, пользуясь таблицей элек троотрицательности, очень просто. Если атомы имеют одинаковую электроотрицательность, то связь между ними неполярная. Неполярные ковалентные связи существуют, например, в молекулах Ы2, Р Н 3, Сё2. Атомы с разной элек троотрицательностью соединяются полярными связями. Рассмотрим м олек улу воды Н 20 . Между атомом Оксигена и каждым атомом Гидрогена существует простая ковалентная связь; таких связей в молекуле — две. Поскольку Оксиген имеет бблыпую электроотрицательность (3,5), чем Гидроген (2,1), то его атом смещает к себе общие электронные пары: 6+ 28н >о н - О Т Iх Н Н5+ Таким образом, ковалентные связи в моле куле воды являются полярными. Чем больше разница в электроотрицатель ност и элем ент ов , тем полярнеє связь между атомами.

ВЫВОДЫ

Е сл и к о в а л ен тн а я св я зь о б р а зуется м еж д у а т о м ам и р а з н ы х элем ен тов, то они обы чн о приобре т а ю т н еб ол ьш и е зар яд ы . И х п о я вл ен и е в ы зван о см ещ ен и ем общ и х эл ек тр о н н ы х п а р о т одн и х а то м ов к д р уги м . Т а к у ю к о в ал ен тн ую св я зь н а з ы в а ю т п о л я р н о й . Е сл и см е щ е н и я о б щ и х э л е к т р о н н ы х п а р н ет, то св я зь я в л я е т с я неполярной . С в о й с т в о а т о м а с м е щ а т ь к се б е эл ек тр о н н ую п а р у , общ ую с д р уги м ато м о м , н а зы в а ю т эл ектр о о тр и ц ател ьн о стью . Э л ек тр о о тр и ц ател ьн о сть эл е м ен тов в о з р а с та е т в п ер и о да х с л е в а н ап р аво, а в гр у п п а х (гл а в н ы х п о д гр у п п а х) — сн и зу в вер х. 217

о 2 9 1 . П очем у на атом ах, со е д и н е н н ы х ко в а л е н тн о й с в я зь ю , м огут в о з н и к а т ь н е бо л ьш и е за р я д ы ? К а ку ю ко в а л е н тн у ю с в я з ь н а з ы в а ю т п о л я р н о й, а к а к у ю — н е по л я р н о й ? 2 9 2 . Что т а к о е э л е ктр о о тр и ц а те л ьн о сть эл ем е н та? 2 9 3 . В ка ж д о й и з ф ормул в е щ е ств п о д ч е р кн и те си м в о л наиб ол е е э л е кт р о о т р и ц а те л ь н о го эл ем ента: А1С13, С¥А, Б 0 2, МаН, 1\120 5, М Е С 0 3 ЫОН, НСЮ4. 2 9 4 . Среди п р и в е д е н н ы х ф ормул у к а ж и т е те, ко то р ы е о тв е ч а ю т в е щ е ств а м с и о н н о й , ко в а л е н тн о й н е по л я р н о й и ко в а л е н тн о й по л яр н о й с в я з ь ю : НР, С 0 2, 1 ^ 0 , и 31Ч, В г2, РЮ13. О б ъ ясните ваш вы б о р . 2 9 5 . О б озн а чьте за ряд ы на а том ах, испо л ьзуя б у кв у б, в та ки х м ол е кулах: 0 Р 2, Г\1Н3, БСЦ, 5 Ш 4. К а к а я и з с в я з е й в этих м ол екул ах н а и б о л е е по л яр н а я, а к а к а я — н а и м е н е е п о л яр н а я? 2 9 6 . По д анны м таблицы 9 составьте ряд нем еталлических элем ентов, в котором электроотрицательность ум еньш ается слева направо. 2 9 7 . К а к и зм е н я е тся э л е ктр о о тр и ц а те л ьн о сть эл е м е н то в в перио д а х и гр уп п а х п е р и о д и ч е с ко й си сте м ы ? 2 9 8 . У ка ж и те п р а в и л ь н о е о к о н ч а н и е п р ед л о ж ен и я «Значения э л е к тр оо триц ател ьности К ал ия и К ал ьц ия р а в н ы с о о т в е т с т в е н н о ...»: а) 0,8 и 1 ,0 ; в) 1,0 и 1 , 2 ; б) 1,0 и 0 ,8 ; г) 0,8 и 0,6 . П рим ите в о в н и м а н и е и со п о ста в ьте зн а ч е н и я э л е ктр о о тр и ц а тельности эл е м е н то в , п о д о б н ы х К ал ию и К а л ь ц и ю , в о с п о л ь з о в а в ш и с ь та б л и ц е й 9. 2 9 9 . Э лем енты в х и м и ч е с ки х ф ормулах часто з а п и с ы в а ю т в п о р я д ке уве л и чен ия их э л е ктр о о тр и ц а те л ьн о сти . У ка ж и те среди п р и в е д е нн ы х ф ормул те, в ко то р ы х со б л ю д ен а та ка я п о сл е д о в а те л ь ность: Ыа2С 0 3, 1\1Н3, БЮ з, Н 23, ИаОН, СН4, НГ'Юз.

М олекулярны е вещ ества М а те р и а л п а р а гр а ф а п о м о ж е т в а м : >

218

в ы ясн и ть строение кр и ста л л иче ских м олекуляр ных вещ еств;

разл ича ть простейш ую и истинную формулы со ед инения; > объ яснять ф и зи че ски е св о й ств а вещ еств моле кул я р н о го строения.

Рис. 8 4 . Сублимация иода (а) и ка р б о н (IV) о кси д а (б)

М еж молекулярное взаимодействие. Веще ство независимо от его строения может нахо диться в трех агрегатных состояниях. Твердое и жидкое состояния молекулярных веществ существуют благодаря тому, что молекулы притягиваются друг к другу. Это явление назы вают межмолекулярным взаимодействием. В отличие от прочных ковалентной и ионной связей взаимодействие между молекулами довольно слабое. Оно состоит во взаимном притяжении атомов с небольшими полож и тельными и отрицательными зарядами (§ 35), принадлежащих разным м олекулам . Такое взаимодействие существует, например, в воде, кислотах, белках. Оно является важным условием для существования живых организ мов на нашей планете. Физические свойства м олекулярны х ве ществ. Вследствие того что м олекулы слабо притягиваются друг к другу, вещества молеку лярного строения существенно отличаются от ионных веществ по физическим свойствам. Для молекулярных веществ характерны летучесть, низкая твердость, невысокие температуры плавления и кипения. Некоторые м олекуляр ные вещества при нагревании переходят из твердого состояния в газообразное, минуя жид кое. Такое явление называют сублимацией 1. Этим свойством обладают, например, иод 12, карбон(1У) оксид С02(рис. 84). Твердый карбон(1\/) оксид называют « сухим льдом». При повышении температуры он пре

1 Термин происходит от латинского слова виЬИшаге — поднимать вверх. 219

вращается не в жидкость, а в газ (углекислый), т. е. не тает, а испаряется («высыхает») (рис. 84, б). Сухой лед раньше использовали в торговле для охлаждения мороженого. Обычный лед при температуре ниже О °С также превращается в пар, правда, медленно. Благодаря этому выстиранное белье высыхает и на морозе.

Немало молекулярны х веществ имеют за пах. Вам хорошо известен резкий запах сульфур(1У) оксида, или сернистого газа в 0 2; веще ство образуется при зажигании спички (сера входит в состав ее головки). Газ аммиак МН3также легко узнать по запаху. Он выделя ется из водного раствора этого соединения — нашатырного спирта. Н ельзя перепутать с другими запах уксусной кислоты СН3СООН, раствор которой (уксус) используют в домаш нем хозяйстве. М олекулярные вещества не проводят элек трический ток. (Попробуйте это объяснить.) Кристаллическое состояние молекулярных веществ характеризуется упорядоченным рас положением молекул в кристалле (рис. 85). Рис. 8 5 .

Кристаллические решетки (упрощенные модели) молекулярных веществ: а — иода 12; б — льда Н20

Простейшая и истинная формулы. Химиче ские формулы молекулярных веществ указы вают на состав их молекул и в некоторых слу чаях могут иметь кратные индексы. В качестве примера возьмем гидроген перок сид (перекись водорода) Н2Ой. М олекулы имен220

но такого состава (а не НО) содержатся в этом веществе. Каждый атом Гидрогена соединен со «своим» атомом Оксигена простой ковалент ной связью; такой же связью соединены и атомы Оксигена: Н -О і

о-н

Ф орм улу Н 20 2, которая показывает реаль ный состав м олекулы , называют и ст инной (формула НО является простейшей). Известны случаи, когда одна и та же простей шая формула отвечает нескольким молекуляр ным веществам с различными истинными фор мулами. Так, ацетилен С2Н 2 (газ, который используют для сварки металлов) и бензен С6Н 6 (распространенный органический раствори тель; его традиционное название — бензол) имеют одинаковые простейшие формулы — СН. Д ля большинства м олекулярны х веществ истинные формулы совпадают с простейшими.

ВЫВОДЫ

М о л е к у л ы п р и т я ги в а ю т с я д р у г к д р у гу , о д н а ко довольн о слабо. П оэтом у вещ ества м ол еку л я р н о го с т р о е н и я и м ею т н и з к и е т е м п е р а т у р ы п л а в л е н и я и ки п ен и я . Д л я н е к о т о р ы х м о л е к у л я р н ы х со е д и н е н и й сущ ествую т две хи м и чески е ф орм улы — про стей ш ая и и сти н н ая. И ндексы в п р остей ш ей ф ор м уле п о к азы в аю т соотнош ени е атом ов эл ем ен то в в м о л ек ул е.

9 3 0 0 . Что та ко е м еж м о л е кул яр н о е в за и м о д е й ств и е ? Чем о н о о бусл о в лено? 3 0 1 . С о е д и не н ие X в о б ы ч н ы х усл о ви ях находится в тв е р д о м со сто я нии, и м ее т за п а х, а п р и сл абом н а гр е в а н и и пл авится. М о л е ку 221

302.

303.

304.

305.

306.

307.

308.

л ярн ы м или и о н н ы м явл яется это со е д и н е н и е ? К а к о й тип х и м и ч е с ко й с в я з и в нем р е а л и зуе тся? К о твету д айте п о ясн е н и я . У ка ж и те среди п е р е ч и сл е н н ы х в е щ е ств м ол е кул ярн ы е : п а р а фин, а ц е то н , к а л ь ц и н и р о в а н н а я сода, азот, о л ово . с и л и ц и й ( 1У) о кс и д . О боснуйте св о й в ы б о р . М о ж н о ли сделать в ы в о д о строении вещ ества (ионном , м ол е ку лярном ) п о е го в н е ш н е м у виду, а гр е га тн о м у состоянию ? Ответ объясните. Найдите с о о тв е тств и е : ф ормула в е щ е ств а те м п е р а тур а пл а в л е н и я, °С 1) NaH; а) 6 3 8 ; 2) HCI; б) - 1 1 4 . Д а й те н е о б хо д и м о е п о я сн е н и е . П опр об уйте о б ъ я сн и ть, по чем у п р о сты е в е щ е ства га л о ге н ы в о б ы чн ы х усл овиях находятся в р а зл и ч н ы х а гр е га тн ы х с о с то я ниях: ф тор F2 и хлор С12 — га зы , б р о м В г 2 — ж и д ко с ть , иод 12 — кр и с та л л и ч е с ко е в е щ е ств о . К а к вы считаете, молекулярны м или ионны м вещ еством является гид разин N 2H4 (соединение использую т в ка честве р а ке тн о го горючего)? Приведите аргументы в пользу ваш его предположения. Газ этан — с о е д и н е н и е К а р б о н а с Гидрогеном . Е го м ол екул а со д е р ж и т втр о е б ол ьш е а то м о в Гидрогена, чем К а р б о н а . Н а й дите ф ормулу эта н а, если о тн осите л ьн а я м о л е кул яр н а я м асса со ед и н е н и я р а в н а 3 0 . Я вляется ли эта ф ормула п р о сте й ш е й ? Х л ор о вод о ро д HCI и ф тор F2 и м е ю т м олекулы п р и б л и зи те л ь н о о д и н а ко в о й м ассы (п о д тв ер д ите это), но сущ е ств е н н о р а з л и ч а ю тся п о те м п е р а тур а м ки п е н и я : - 8 4 °С (HCI) и - 1 8 7 °С (F2). О бъясните т а ко е о тл ичие.

С тепень окисления

М а те р и а л п а р а гр а ф а п о м о ж е т в а м : >• вы ясн ить, что н а зы в а ю т сте п е н ью о кисл ен и я элем ента; > составл ять формулы соед ин е н ий по зн а че н и я м степеней о кисл ен и я элем ентов; > о пре д ел ять сте пен и о ки с л е н и я эл е м е н то в по х и м и ч е ски м ф ормулам соед инений. 222

Известно, что атомы — электронейтральные частицы. Они остаются таковыми, соеди няясь в молекулы простых веществ. Однако на атомах, входящих в состав сложных веществ, как правило, сосредоточиваются небольшие заряды — как положительные, так и отрица тельные. Это является следствием смещения общих электронных пар к атомам более элек троотрицательных элементов. В § 35 была подробно рассмотрена молекула хлороводорода НС1. В ней существует кова лентная полярная связь; общая электронная пара смещена к более электроотрицательному атому Х лора (H :С1, H —> С1). На этом атоме имеется небольшой отрицательный заряд, а на атоме Гидрогена — такой же по значению, но +8 —8

положительный заряд: НС1 (б = 0,2). Если общую электронную пару полностью «передать» атому Хлора (тогда она уже не будет общей), то к этому атому вернется его электрон, который принимал участие в ковалентной связи, и поступит электрон от атома Гидрогена. За счет последнего атом Хлора получит заряд —1, а атом Гидрогена, потеряв свой единствен ный электрон, приобретет заряд +1. У с л о в н ы й ц е л о ч и с л е н н ы й за р я д а том а в вещ естве н азы ваю т ст еп ен ью о к и сл е н и я эл ем ен т а . Степень окисления обозначают в химиче ской формуле над символом элемента, записы вая сначала знак (плюс или минус), а затем — число: +1 -1

НС1. УПРАЖНЕНИЕ 1. В ы ч и с л и т ь с т е п е н и о к и с л е н и я э л е м е н т о в в к а р 6o h (IV ) о к с и д е . Решение Карбон(1У) оксид — молекулярное соединение. В молекуле С02четырехвалентный атом Карбона соединен двойными кова лентными связями с каждым атомом Оксигена: 223

0::С ::0 , 0=С=0. Связь С =0 является полярной, поскольку элементы отлича ются по электроотрицательности: Оке и ген более электроотри цательный, чем Карбон (табл. 8). Передаем все четыре общие электронные пары двум атомам Оксигена. В результате каж дый атом Оксигена получает заряд —2, ибо к нему, кроме двух своих электронов, поступают два «ч уж и х» — от атома Карбона. Атом Карбона приобретает заряд +4, т. к. он теряет четыре электрона, передав их атомам Оксигена. Запишем формулу со единения с найденными степенями окисления элементов: +4 -2

с о 2. Если вещество является ионным и состоит из простых (одноатомных) ионов, то в нем сте пень окисления каждого элемента совпадает с зарядом соответствующего иона, т. е. является реальным зарядом частицы, а не условным. Например, степени окисления Натрия и Хлора в натрий хлориде КаС1 равны соответ ственно +1 и —1, Алюминия и Оксигена в алю миний оксиде А120 3составляют +3 и —2. Запи шем формулы соединений вместе со степенями окисления элементов: + 1 -1

+3 - 2

ЫаС1 А12Оэ (Заряд иона, как известно, записывают вверху и справа от символа элемента, причем сначала указывают цифру (единицу опуска ют), а затем знак: Ма+, А13+, СГ, О2 .) С ум м а степ ен ей ок и слен и я всех атом ов в каж дом в ещ еств е р а в н а н у л ю . Это — правило элект ронейт ральност и вещ ест ва. О нем упоминалось ранее, но по отношению к ионным веществам. Приведен ная выше его формулировка распространяет ся на вещества любого строения — ионного, молекулярного, атомного. Правило электро нейтральности используют при составлении формул химических соединений или для их 224

Это интересно

Нитроген может иметь в соединениях все возможные степени окисления от -3 до +5 (всего 9 значений).

проверки. Так, формулу алюминий оксида А120 3 следует считать правильной, поскольку сумма степеней окисления всех атомов (сумма зарядов всех ионов) в формульной единице соединения составляет 2 • (+ 3 ) + 3 • (—2) - О. Степень окисления элемента может рав няться и нулю. Н улевы е значения ст епени окисления имеют элементы в прост ых веще ст вах — водороде Н2, сере 88, железе Ре и т. д. (объясните это), а также в соединениях, обра зованных элементами с одинаковой электро отрицательностью — фосфине РН 3, карбон(ГУ) сульфиде Св2 и др. Чтобы определять степени окисления элемен тов в соединениях по их химическим формулам, а также составлять формулы соединений, необходимо знать такие закономерности: 1 ) металлические элементы имеют в соеди нениях только положительные степени оки сления; 2) степень окисления Гидрогена в соедине ниях с неметаллическими элементами, как правило, составляет + 1 , а в соединениях с металлическими элементами равна —1 ; 3) Оксиген почти во всех соединениях имеет степень окисления —2 ; 4) Ф луор как самый электроотрицательный элемент всегда имеет в соединениях степень окисления —1 ; 5) максимальная (положительная) степень окисления элемента совпадает с номером группы, в которой он находится; 6) минимальная (отрицательная) степень окисления неметаллического элемента равна номеру группы минус 8.

УП РАЖ Н ЕН И Е 2. О пределить степени окисления элем ентов в

калий дифосфате К4Р20 7. Решение

Калий — металлический элемент. Его степень окисления в соединении должна быть положительной (закономерность 1 ) и равна +1, поскольку Калий — элемент I группы (закономерность 5). Степень окисления Оксигена в соединении составляет —2 225

(закономерность 3). Степень окисления Фосфора определяем, воспользовавшись правилом электронейтральности вещества: +1 х -2 К 4Р 2О7» 4*1 + 2 - jc + 7 - (- 2 ) = 0; jc = (14 - 4) : 2 = 5. Формула калий дифосфата с найденными степенями окисле+ 1 + 5 —2

ния элем ентов-- К 4Р 2От. УПРАЖНЕНИЕ 3. Составить

ф ормулу

соединения

Магния

Нитрогеном. Реш ение

Магний — металлический элемент; он находится во II группе и в соединениях имеет степень окисления +2 (закономерности 1 и 5). Нитроген — неметаллический элемент; он принадлежит к V группе. В соединении с металлическим элементом Нитроген проявляет отрицательную степень окисления, равную 5 —8 = —3 (закономерность 6). Записываем формулу соединения с неиз вестными индексами и указываем степени окисления элементов: +2

-з

Дальше действуем так, как при составлении формулы бинар ного соединения по валентностям элементов. Находим наимень шее число, которое делится без остатка на значения степеней окисления элементов; это число 6. Разделив его на 2, получаем количество атомов Магния в формуле соединения ( 6 : 2 = 3), а разделив на 3, получаем количество атомов Нитрогена (6 :3 = 2). Формула соединения — M g3N 2. Значения степени окисления и валентности элемента нередко совпадают (например, Гидро гена — в соединении НС1, Карбона — в соедине нии С02). Тем не менее их нельзя путать и заме нять одно другим, так как понятия «степень окисления» и «валентность» различны по смы слу. Степень окисления все чаще используют как универсальную величину, удобную для классификации веществ, хотя для веществ молекулярного и атомного строения она имеет условный характер. Понятие «валентность» постепенно теряет значение в химии, но оста нется в истории химической науки. 226

выводы Степень окисления элемента — это условный целочисленный заряд атома в веществе. Его рассчитывают, полностью смещая общие элек тронные пары к атомам более электроотрица тельных элементов. Степень окисления элемен та в простом ионе совпадает с зарядом иона. Сумма степеней окисления всех атомов в каж дом веществе равна нулю. Это — правило элек тронейтральности. Его используют при состав лении формул различных соединений. Значения степени окисления и валентности элемента часто совпадают.

Оя 3 0 9 . Что т а ко е степень о ки сл е н и я элем ента? 3 1 0 . К а ко е м ин им а л ьн о е и м а кс и м а л ь н о е зн а ч е н и е м о ж е т п р и н и мать сте п е н ь о ки сл е н и я : а) м е та л л и ч е ско го элем ента; б) н е м е та л л и ч е с ко го эл ем ента? 3 1 1 . К а к и е м а кс и м а л ьн ы е и м и н и м а л ьн ы е сте пени о ки сл е н и я могут им еть С илиций, Калий, М а н га н , Селен, Н еон, Ф осф ор? 3 1 2 . О пределите и у ка ж и те в пр и в ед е н н ы х ф ормулах ве щ е ств сте пе ни о ки сл е н и я эл е м е н то в : NaH, P2S5, Оэ, OF2, CCI4, H 2S, Li 3N, AIR 3 1 3 . Составьте формулы: а) трех со ед и н е н и й Хлора с О кси ге н о м , в ко тор ы х Хлор им еет сте пен и о ки сл е н и я + 1 , + 4 и + 7 ; б) двух с о е д ин ен ий А рсена с Сульфуром, в ко то р ы х пе р в ы й элем ент им еет сте пени о ки сл е н и я + 3 и + 5 , а вто ро й - 2 . 3 1 4 . О пределите сте пен и о ки сл е н и я э л ем е н тов в со ед ине ниях по гр а ф и че ски м ф ормулам их м олекул: a) H -C = N ; б) 0 = С -С 1 ; в) H - N - O - H . CI Н 3 1 5 . О пределите степени о ки сл е н и я э л ем е н тов в со ед ин е н иях с т а ки м и ф ормулами: СаСОэ, N a N 0 2, Н 3Р 0 4, M g (N 0 3)2, H 2S 0 4. 3 1 6 . Чем отличаю тся понятия «валентность» и «степень окисления»? 3 1 7 . О пределите степени о ки сл е н и я эл ем е н тов в ги д р о ге н п е р о к с и де. И спользуйте пр и в е д е н н ую в § 3 6 гр а ф и че скую формулу молекулы соед инения. К а к о в о з н а ч е н и е валентности к а ж д о го элем ента в ги д р о ге н пе р о кси д е ? 227

Послесловие Завершился учебный год, второй год изучения вами химии. Мы уверены, что вам было интересно на уроках по этому пред мету. Теперь вы знаете, что в химии порции веществ оценивают не только по их массе или объему, но и по количеству частиц — атомов, молекул, ионов. Вам стало известно об области химиче ской науки, которую называют неорганической химией, а также о существовании важнейших классов неорганических соединений — оксидов, оснований, кислот, амфотерных соеди нений, солей. Надеемся, что каждый из вас научился состав лять формулы этих соединений, прогнозировать их химиче ские свойства, предлагать способы получения соединений, решать разнообразные задачи. Вы выяснили, какая информация о химических элементах содержится в периодической системе Д . И. Менделеева, и поня ли, насколько важно уметь ею пользоваться. Она иллюстриру ет открытый выдающимся ученым Д. И. Менделеевым перио дический закон — основной закон химии. Этот закон помогает открывать новые химические элементы, получать новые веще ства, предсказывать их состав и свойства. Строение атома уже не является для вас секретом. Знаете и о том, как и почему соединяются частицы вещества друг с дру гом. Читая учебник, вы «заглян ули » внутрь кристаллов и убе дились, что частицы вещества размещены в них в определен ном порядке. Материал по химии в 9 классе будет не менее интересным. Вы получите представление о растворах, узнаете об особенностях протекания химических реакций. Ознакомитесь также с орга ническими веществами, многие из которых встречаются в живой природе — растениях, животных, человеке. Ж елаем вам хорошо отдохнуть летом, а в 9 классе достичь новых успехов в изучении химии, получить удовлетворение от познания ее тайн и проведения интересных химических опытов. Авторы

228

Ответы к задачам и упражнениям 6. Нет — для простых веществ атомного строения; да — для сложных веществ, а также простых веществ молекуляр ного строения. 7. ЛЧС1 ) = 6,02 • 1023. 8. п(АІ2(804) з) =1/3 моль. 9. а) л(СН4) = 1 моль; б) п(СН4) = 0,3 моль; в) п(СН4) = 1 моль. 10. а) п(ИаС1) = 0,2 моль; б) л(КаС1) = 3 моль; в) л(КаС1) = 0,6 моль. 22. А(атомов) = 4,8 • 1023. 24. Количество ионов наименьшее. 32. Р (Н 2) : Р(СН4) = 8 :1 . 35. р(возд.)= 1,295 г/л. 40. Газ тяжелее метана в 1,06 раза. 42. £>м (газа) = 1,57. 51. 0 2) = 560 л. 54. /п(А 12Оэ) = 5,1 г . 59. В барий гидроксиде. 78. Больше всего ионов — в барий хлориде. 79. б. 84. а) МбО + С12От = Мё(СЮ4)2; б) 120 5+ 2ЫаОН = 2ЫаЮ3+ Н20. 94. т (С а (Ж )3)2) = 32,8 г. 97. т ( Р 2Об) = 71 г; и^(Р20 5) = 78 % . 98. т (8 0 2) = 0,64 г; т (С 0 2) = 0,88 г. 102. а) 2КОН + N ^ 5 = 2 К К 0 3 + Н 20; б) ЗСа(ОН)2+ 2Н3Р 0 4 = Са3(Р 0 4)2 + 6Н20. 103. Возможны 3 реакции. 106. т (Г е (О Н )2) = 3,8 г. 107. Р(8 02) = 4,48 л. 109. и (ЫаОН) = 31,9 % . 112. б) Ре(ОН)2+ 2Н Ж )3 = Ре(1чЮ3)2 + 2НгО. 114. Возможны 3 реакции. 116. Примите во внимание свойства образующейся кислоты. 118. и>(Ае)= 79,7 % . 119. т (Н Ж )3) = 25,2 г. 121. а) БпО + 2ИаОН = Ка^пО., + Н 20; б) А120 3 + СаО = Са(АЮ2)2; А120 3 + ЗСаО = Са3(АЮ 3)2. 123. Сг(ОН)3. 124. т (Р е 20 3) = 8 г. 125. Нет. 130. Происходят 3 реакции. 229

132. Да. 133. /п(Си) = 6,4 г. 134. т(Ыа]ЧЮ3) = 8,5 г; т (К Ы О э) = 20,2 г. 139. При нагревании разлагаются 5 соединений. 142. К(С02) = 5,6 л ; К(802) = 11,2 л. 143. Да. 144. -0^^ (смеси) = 1,49. 145. м>(С) = 75 % . 150. Используйте амфотерность станнум(И) оксида. 152. Нет. 158. п(Н3Р 0 4) = 0,2 моль. 165. Можно, осуществив не одну, а две реакции. 167. /п(соли) = 27,2 г. 168. м^СаБЮз) = 63,5 % . 175. п(Н28 0 4) = 0,025 моль. 176. /п(А 120 3) = 5,1 г. 199. а) На Стронций похожи Кальций и Барий. 208. В ионе Б2 — 18 электронов. 209. В ионе ЫН4+ суммарное количество протонов равно 11, а электронов — 10. 210. |®Со. 214. Возможны 9 разновидностей молекул воды и пять значе ний массы молекул воды. 215. Учтите то, что атомы одинаковой массы имеют лиш ь 20 химических элементов. 216. А г(М ё) = 24,32. 219. |?Со. 221. в-Орбиталь представляет собой сферу; она одинакова по всем направлениям. 225. Не всегда. Энергия 4в-электрона немного меньше, чем Зй-электрона. 231. Оксиген, Магний. 238. Такие символы имеют 8 элементов. 257. Н20, ЫОН, Н3ВО,. 261. н'(О) = 47,1 % . 272. В атоме Оксигена. 281. а) 6; б) 6. 282. б) МеО. 298. а. 305. Температуры плавления и кипения веществ зависят от массы молекул (подумайте, как это можно объяснить). 307. Найденная формула этана не является простейшей. 314. а) в соединении HCN степень окисления Карбона +2; 315. В соединении Ме(Ы03)2 степень окисления Нитрогена +5. 230

Словарик терминов Амфотерностъ — способность соединения (оксида, гидроксида) проявлять основные и кислотные свойства. Анион — отрицательно заряженный ион. Атомная доля нуклида — отношение количества атомов нукли да к общему количеству атомов элемента. Безоксигеновые кислоты — кислоты, в молекулах которых отсутствуют атомы Оксигена. Валентные электроны — электроны, которые принимают уча стие в образовании химической связи. Внешние электроны — электроны последнего энергетического уровня атома. Возбуждение атома — процесс перехода электрона из одной орбитали в другую в пределах одного энергетического уровня. Высший оксид — оксид, в котором элемент проявляет наиболь шее значение валентности. Галогены — элементы главной подгруппы VII группы периоди ческой системы (Флуор, Хлор, Бром, Иод), а также соответствую щие простые вещества. Генетическая связь — взаимосвязь между веществами, которая основана на происхождении веществ и их химических свойствах. Группа ( периодической системы) — столбик в периодической системе. Двойная связь — связь между атомами, образованная двумя общими электронными парами. Естественный ряд — ряд элементов, составленный по возраста нию атомных масс. Изотопы — нуклиды одного элемента, или виды атомов с оди наковым количеством протонов и разным количеством нейтронов. Индикатор — вещество, изменяющее окраску в щелочной и кислой среде. Инертные элементы — элементы главной подгруппы V III группы периодической системы (Гелий, Неон, Аргон, Криптон, Ксенон, Радон). Простые вещества этих элементов называют инертными газами. Ионная связь — взаимодействие между противоположно заря женными ионами в веществе. Истинная формула — формула, которая показывает реальный состав молекулы. Катион — положительно заряженный ион. Кислота — соединение, молекула которого содержит один или несколько атомов Гидрогена, способных при химических реакциях замещаться на атомы металлического элемента. 231

Кислотный оксид — оксид, который соответствует оксигенсодержащей кислоте. Кислотный остаток — часть молекулы кислоты, соединенная с атомом (атомами) Гидрогена. Кислотообразующий элемент — элемент, который образует кислоту. Классификация — распределение объектов (предметов, орга низмов, явлений и т. п.) по группам или классам в зависимости от их общих признаков. Ковалентная связь ■ — связь между атомами, обусловленная существованием общих электронных пар. Количество вещества — физическая величина, которая опре деляется количеством частиц (атомов, молекул, ионов) в порции вещества. Кристаллическая решетка — модель строения кристалличе ского вещества. М оль — единица измерения количества вещества; порция веще ства, которая содержит 6,02 • 1023его формульных единиц. М олярная масса — масса 1 моль вещества. Молярная масса численно равна относительной атомной, молекулярной или фор мульной массе. Молярный объем — объем 1 моль вещества. Нейтрон — электронейтральная частица, которая находится в ядре атома. Неорганическая химия — область химической науки, которая изучает неорганические вещества. Неполярная ковалентная связь — ковалентная связь, в которой отсутствует смещение одной или нескольких общих электронных пар к одному из атомов. Несолеобразующий оксид — оксид, который не взаимодействует с кислотами, основаниями и не образует солей. Нормальные условия — температура 0 °С и давление 101,3 кПа (760 мм рт. ст.). Нуклид — какой-либо вид атомов. Нуклон — общее название частиц (протона и нейтрона), из кото рых состоят ядра атомов. Нуклонное число — суммарное количество протонов и нейтро нов в атоме. Оксигенсодержащая кислота — кислота, в молекуле которой содержатся атомы Оксигена. Оксид — соединение, образованное двумя элементами, одним из которых является Оксиген. Орбиталь — часть пространства в атоме, где пребывание элек трона наиболее вероятно. 232

Основание — соединение, которое состоит из катионов металли ческого элемента М п' и гидроксид-анионов ОН . Основное состояние атома — состояние атома, в котором орби тали заполнены электронами в соответствии с принципом наи меньшей энергии. Основность — характеристика кислоты, которая определяется количеством атомов Гидрогена в молекуле, способных замещаться на атомы металлического элемента. Основный оксид — оксид, который соответствует основанию. Относительная атомная масса — отношение массы атома к 1/12 массы атома 12С. Относительная молекулярная масса — отношение массы моле кулы к 1/12 массы атома 12С. Относительная плотность газа по другому газу — отношение массы определенного объема газа к массе такого же объема друго го газа (при одинаковых температуре и давлении). Относительная формульная масса — отношение массы фор мульной единицы вещества к 1/12 массы атома 12С. Период — фрагмент естественного ряда элементов от щелочного элемента до инертного. Подгруппа — часть группы периодической системы. Подуровень — часть энергетического уровня с электронами оди наковой энергии. Полярная ковалентная связь — ковалентная связь, в которой одна или несколько общих электронных пар смещены к одному из атомов. Простая связь — связь между атомами, образованная одной общей электронной парой. Простейшая формула — формула, которая отображает соотно шение количества атомов или ионов в соединении. Протон — положительно заряженная частица, которая нахо дится в ядре атома. Протонное число — количество протонов в атоме. Радиоактивный распад — явление самопроизвольного распада ядер атомов на меньшие ядра, отдельные частицы. Радионуклид — нуклид, способный к радиоактивному распаду. Радиус атома — расстояние от центра ядра до сферической поверхности, которой касаются орбитали с электронами последне го энергетического уровня. Реакция замещения — реакция между простым и сложным веществами, в результате которой образуются новые простое и сложное вещества. Реакция нейтрализации — реакция между основанием и кис лотой. 233

Реакция обмена — реакция между двумя соединениями, при которой они обмениваются своими составными частями. Ряд активности металлов — ряд, в котором металлы размеще ны по уменьшению их химической активности. Солеобразующий оксид — оксид, который взаимодействует с кислотами или (и) основаниями и образует соли. Соль — соединение, в состав которого входят катионы металли ческого элемента и анионы кислотного остатка. Спин — свойство электрона, которое условно принимают за вра щение вокруг собственной оси. Степень окисления — условный целочисленный заряд атома в веществе. Сублимация — превращение твердого вещества в газ, минуя жидкое состояние. Тройная связь — связь между атомами, образованная тремя общими электронными парами. Химическая связь — взаимодействие между атомами, молекула ми, ионами, благодаря которому частицы удерживаются вместе. Химический элемент — вид атомов с определенным протонным числом (определенным зарядом ядра). Число Авогадро — 6,02 - 1023(количество формульных единиц в I моль вещества). Щелочноземельные элементы — элементы главной подгруппы II группы периодической системы (Магний, Кальций, Стронций, Барий, Радий). Простые вещества этих элементов называют щелочноземельными металлами. Щелочные элементы — элементы главной подгруппы I группы периодической системы (Литий, Натрий, Калий, Рубидий, Цезий, Франций). Простые вещества этих элементов называют щелочны ми металлами. Щелочь — водорастворимое основание. Электрон — отрицательно заряженная частица, составная часть атома. Электронная формула — запись, отображающая электронное строение атома или молекулы. Электронный октет — 8-электронная оболочка атома. Электроотрицательность — свойство атома элемента смещать в свою сторону электронную пару, общую с другим атомом. Энергетический уровень (электронная оболочка) — фрагмент современной модели атома, который объединяет электроны с почти одинаковой энергией. Ядерная реакция — превращение, при котором изменяются ядра атомов. 234

Предметный указатель А Амфотерность 86 Амфотерные соединения 86 получение 108 Анион 31, 201 Атомная доля 151

В Валентность 167

Г Галогены 131 Генетическая связь 122 Гидроксид 55, 188 Группа (периодической системы) 140

Е Естественны й ряд элементов 136

3 Закон Авогадро 19

И Изотопы 149, 150 Индикатор 69 Инертные газы 131

К Катион 31, 200 Кислоты 38 безоксигеновые 41 классификация 41 названия 42 оксигенсодержащие 41 получение 110 распространенность 44 сильные 42 слабые 42 состав 39 средней силы 42 физические свойства 76 химические свойства 77

Кислотный остаток 39 Кислотообразующий элемент 39 Классификация 129 неорганических веществ 119 элементов 129, 173 Количество вещества 6 Кристаллическая решетка 205—206

Металлы 129 щелочноземельные 130 щелочные 130 Моль 6, 153 Молярная масса 12 Молярный объем 17

н Нейтрон 145 Неметаллы 129 Нормальные условия 18 Нуклид 151 Нуклон 145 Нуклонное число 146

О Оксиды 30 амфотерные 87 высшие 32, 186 кислотные 43, 54 классификация 119 названия 33 несолеобразующие 119 основные 37, 52 получение 101 применение 57 солеобразующие 119 физические свойства 51 химические свойства 51 Основания 35 названия 36 235

получение 106 физические свойства 67 химические свойства 68 Орбиталь 158 Относительная атомная масса 152 Относительная молекулярная масса 152 Относительная плотность газа 24 Относительная формульная масса 152

Период 140 Периодическая система 136, 139 Периодический закон 136, 171 значение 192 физическая суть 172 Подгруппа 141 Правило электронейтральности 224 Принцип наименьшей энергии 163— 164 Протон 145 Протонное число 146

Р Радиоактивный распад 147 Радионуклид 153 Радиус атома 174 Реакция замещения 78 нейтрализации 71 обмена 54 Ряд активности металлов 78

С Связь 7 Г -С В Я З Ь 213 а-связь 213 двойная 212 ионная 203 ковалентная 210

236

неполярная 215 полярная 215 простая 212 тройная 212 Соли 46 названия 47 получение 114 физические свойства 91 химические свойства 92 Состояние атома возбужденное 168 основное 167 Спин электрона 159 Степень окисления 223

Таблица растворимости 68

X Химическая формула истинная 221 простейшая 221 Химический элемент 146 характеристика 177

Электронная оболочка 160 Электронная формула атома 161 графический вариант 161 молекулы 210 Электронные орбитали (в-,р-, й-, /4158, 159 Электронный октет 199 Электроны внешние 165 неспаренные 159 спаренные 159 Электроотрицательность 216 Элементы инертные 131 щелочноземельные 131 щелочные 131 Энергетический уровень 160 подуровень 160

Содержание

Обращение к ученикам ...........................................................3

раздел

К о л и честв о в е щ е с тв а . Расчеты по х и м и ч е с к и м ф орм улам § 1. § 2. § 3.

Количество вещества .................................................... 5 Молярная м асса............................................................12 Молярный объем. Закон Авогадро..............................16 Д л я любознательных. Соотношение объемов газов в химических реакциях............................................... 22 § 4. Относительная плотность газа ....................................23 Д л я любознательных. О средней относительной молекулярной массе воздуха .......................................28

раздел

В а ж н е й ш и е классы н е о р га н и ч е с к и х с о е д и н е н и й § 5. Оксиды ..........................................................................30 § 6. Основания..................................................................... 35 §7 . Кислоты ..........................................................................38 § 8. С о л и ...............................................................................46 § 9. Свойства и применение оксидов...................................50 Д л я любознательных. Кислотные осадки...................59 §10. Расчеты по химическим уравнениям........................... 61 §11. Свойства и применение оснований.............................. 66 §12. Свойства и применение кислот.....................................76 Экспериментируем дома. Природные индикаторы— 85 §13. Амфотерные оксиды и гидроксиды............................. 86 237

§ 14. Свойства и применение солей....................................... 91 Д л я любознательных. Кислые с о л и ............................ 98 П р а к т и ч е с к а я р а б о т а № 1. Изучение свойств важнейших классов неорганических соединений ........................................ 99 Вариант I. Изучение химических свойств хлоридной кислоты ...................................... 99 Вариант II. Изучение свойств никель(Н) сульфата.................................................. 100 §15. Способы получения оксидов....................................... 101 §1 6. Способы получения оснований и амфотерных гидроксидов.........................................106 §1 7. Способы получения кислот .........................................110 § 18. Способы получения с о л е й ........................................... 114 § 19. Обобщение знаний о важнейших классах неорганических соединений....................................... 118 П р а к т и ч е с к а я р а б о т а № 2. Решение экспериментальных задач........................... 124 Вариант I. Осуществление реакций по схеме химических превращений........................125 Вариант И. Составление схемы химических превращений и осуществление реакций................ 125

раздел

П ер и о д и чески й з а к о н и п е р и о д и ч е с ка я систем а х и м и ч е с к и х э л е м е н т о в Д . И. М е н д е л е е в а . С тр о ен и е а то м а § 20. Первые попытки классификации химических элементов................................................ 128 §21. Периодический закон ................................................. 134 § 22. Периодическая система химических элементов...... 139 § 23. Строение атома............................................................. 144 § 24. И зотопы........................................................................ 149 Д л я любознательных. Ядерные реакции................... 157 § 25. Современная модель атома..........................................158 § 26. Строение электронных оболочек атомов.................... 163 238

§27. Периодический закон и электронное строение атомов................................. 170 § 28. Характеристика элемента по его положению в периодической системе и строению атома........................................................ 176 § 29. Периодическая система, химический характер элементов и свойства простых веществ...................................... 181 § 30. Периодическая система и химические свойства соединений...........................186 § 31. Значение периодического закона. Жизнь и деятельность Д. И. Менделеева.................. 192

4 раздел Х и м и ч е с ка я св я зь и стр о ен и е в е щ е с тв а § 32. Устойчивость электронных оболочек. Превращение атомов в ионы ..................................... 198 § 33. Ионная связь. Ионные соединения............................203 § 34. Ковалентная связь......................................................209 § 35. Полярная и неполярная ковалентная связь. Электроотрицательность атомов............................... 215 § 36. Молекулярные вещества............................................ 218 § 37. Степень окисления......................................................222 Послесловие.........................................................................228 Ответы к задачам и упражнениям..................................... 229 Словарик терминов.............................................................231 Предметный указатель....................................................... 235

239

Навчальне видання

П О П Е Л Ь Павло П етрович К Р И К Л Я Л ю дм ила Сергіївна

Х ІМ ІЯ П ідручник для 8 класу загальноосвітніх навчальних закладів [р о сійською м о в о ю ] Р еком ен д о ва но М іністерством освіти і н ауки України В идано за державні кош ти. П род аж за б ор о нено Редактор А . А . Д аниленко Технічний редактор Т. І. Семченко Коректор В. П. М усійченко Худож нє оформлення В. М. Ш тогрина К ом п’ ютерна верстка Є, М. Байдюка Підписано до друку з оригінал-макета 26.08.2008. Ф ормат 60x90/16. Папір офс. № 1. Гарнітура Ш кільн а. Д рук офсетний. Ум.-друк. арк. 14,5. Обл.-вид. арк. 10,4. Н аклад 62 500 прим. Зам. 8-465. Видавничий центр «А к а д е м ія ». 04119, м. Київ-119, а/с 37. Тел./факс: (044) 483-12-11; 456-84-63. E-mail: academ ia-pc@svitonline.com Свідоцтво: серія Д К № 555 від 03.08.2001 р. В А Т «Б ілоцерківська книжкова фабрика». 09117, м. Б іла Церква, вул. Л еся Курбаса, 4.