В химии все многообразие неорганических веществ: принято разделять на две группы – простые и сложные. Простые вещества подразделяются на металлы и неметаллы. А сложные – на производные от простых, образованные путем их взаимодействия с кислородом, водой и между собой. Эту классификацию неорганических веществ в виде схемы изображают следующим образом:
Рис. 2.1. Классификация неорганических соединений.
Классификация реакций в неорганической химии. В неорганической химии различают реакции: 1)соединения, 2)разложения (и те и другие могут быть окислительно-восстановительными реакциями, а могут и не быть таковыми), 3)обмена, 4)замещения, которые всегда являются окислительно-восстановительными. Схемы реакций и примеры даны в таблице 2.1.
Таблица 2.1
Классификация реакций
Рассмотрим получение и свойства наиболее важных классов неорганических соединений.
ОКСИДЫ (окислы) - сложные вещества, состоящие из двух элементов, одним из которых является кислород в степени окисления, равной -2. Общая формула любого оксида - Э х О у -2 . Различают солеобразующие (основные : Li 2 O, CaO, MgO ,FeO; амфотерные : ZnO, Al 2 O 3 , SnO 2 , Cr 2 O 3 , Fe 2 O 3 ; кислотные : B 2 O 3 , SO 3 , CO 2 , P 2 O 5 Mn 2 O 7) и несолеобразующие : N 2 O, NO, CO оксиды. Элементы с переменной степенью окисления образуют несколько оксидов (MnO, MnO 2 , Mn 2 O 7 , NO, N 2 O 3 , NO 2 , N 2 O 5). В высшем оксиде, как правило, элемент находится в степени окисления, равной номеру группы.
По современной международной номенклатуре названия оксидов составляют следующим образом: слово «оксид», далее русское название элемента в родительном падеже, степень окисления элемента (если она переменна). Например: FeO – оксид железа (II), P 2 O 5 – оксид фосфора (V).
Основные оксиды это те, которым соответствуют гидроксиды – основания. Основными называют оксиды, взаимодействующие с кислотами с образованием соли и воды. Основные оксиды образуются только металлами в степени окисления +1,+2 (иногда +3), например: BaO, SrO, FeO, MnO, CrO, Li 2 O, Bi 2 O 3 , Ag 2 O.
Получение основных оксидов :
1) Окисление металлов при нагревании в атмосфере кислорода:
Этот метод практически неприменим для щелочных металлов, которые при окислении обычно дают пероксиды, поэтому оксиды Na 2 O, K 2 O крайне труднодоступны.
2) Обжиг сульфидов:
2СuS+3O 2 =2CuO+2SO 2 ;
4FeS 2 +11O 2 =2Fe 2 O 3 +8SO 2 .
3) Разложение гидроксидов:
Cu(OH) 2 =CuO+H 2 O.
Этим методом нельзя получить оксиды щелочных металлов.
4) Разложение солей некоторых кислородсодержащих кислот:
BaCO 3 =BaO+CO 2 ,
2Pb(NO 3) 2 =2PbO+4NO 2 +O 2
Свойства основных оксидов . Большинство основных оксидов представляет собой твердые кристаллические вещества ионного характера; в узлах кристаллической решетки расположены ионы металлов, достаточно прочно связанные с ионами O 2- , поэтому оксиды типичных металлов обладают высокими температурами плавления и кипения.
Отметим одну характерную для оксидов особенность. Близость ионных радиусов многих ионов металлов приводит к тому, что в кристаллической решетке оксидов часть ионов одного металла может быть заменена на ионы другого металла. Это приводит к тому, что для оксидов часто не выполняется закон постоянства состава, и могут существовать смешанные оксиды переменного состава.
1) Отношение к воде.
Процесс присоединения воды называется гидратацией, а образующееся вещество – гидроксидом. Из основных оксидов с водой взаимодействуют только оксиды щелочных (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) и щелочноземельных металлов (Ca, Sr, Ba, Ra).
Li 2 O+H 2 O=2LiOH;
BaO+H 2 O=Ba(OH) 2 .
Большинство же основных оксидов в воде не растворяются и не взаимодействуют с ней. Соответствующие их гидроксиды получают косвенным путем – действием щелочей на соли (см. ниже).
2) Отношение к кислотам.
CaO+H 2 SO 4 =CaSO 4 +H 2 O;
FeO+2HCl=FeCl 2 +H 2 O.
3) Отношение к кислотным и амфотерным оксидам.
Основные оксиды щелочных и щелочноземельных металлов при сплавлении взаимодействуют с твердыми кислотными и амфотерными оксидами, а также с газообразными кислотными оксидами при обычных условиях.
CaO+CO 2 =CaCO 3;
3BaO+P 2 O 5 =Ba 3 (PO 4) 2 ;
сплавление
Li 2 O+Al 2 O 3 =2LiAlO 2 .
сплавление
Основные оксиды менее активных металлов взаимодействуют только с твердыми кислотными оксидами при сплавлении.
Кислотные оксиды - оксиды, которые при взаимодействии с основаниями образуют соль и воду. Кислотным оксидам соответствуют гидроксиды – кислоты. Кислотные оксиды – это оксиды неметаллов в различных степенях окисления, либо оксиды металлов в высокой степени окисления (+4 и выше). Примеры: SO 2 , SO 3 , Cl 2 O 7 , Mn 2 O 7 , CrO 3 .
Химическая связь в кислотных оксидах – ковалентная полярная. При обычных условиях кислотные оксиды неметаллов могут быть газообразными (CO 2 , SO 2), жидкими (N 2 O 3 , Cl 2 O 7), твердыми (P 2 O 5 , SiO 2).
Получение кислотных оксидов .
1) Окисление неметаллов:
2) Окисление сульфидов:
2ZnS+3O 2 =2ZnO+2SO 2
3) Вытеснение непрочных слабых кислот из их солей:
CaCO 3 +2HCl=CaCl 2 +CO 2 +H 2 O.
Свойства кислотных оксидов .
1) Отношение к воде.
Большинство кислотных оксидов растворяются в воде, вступая с ней в химическое взаимодействие и образуя кислоты:
SO 3 +H 2 O=H 2 SO 4 ,
CO 2 +H 2 O=H 2 CO 3 .
2) Отношение к основаниям.
Кислотные оксиды взаимодействуют с растворимыми основаниями – щелочами, образуя соль и воду.
SO 2 +2NaOH=Na 2 SO 3 +H 2 O;
P 2 O 5 +6NaOH=2Na 3 PO 4 +3H 2 O
сплавление
3) Отношение к основным и амфотерным оксидам.
Твердые кислотные оксиды взаимодействуют с основными и амфотерными оксидами при сплавлении. Жидкие и газообразные оксиды взаимодействуют с оксидами щелочных и щелочноземельных металлов при обычных условиях.
P 2 O 5 +3CuO=Cu 3 (PO 4) 2 ;
сплавление
3SiO 2 +Al 2 O 3 =Al 2 (SiO 3) 3
сплавление
Амфотерные оксиды взаимодействуют и с кислотами и со щелочами, проявляя свойства кислотных и основных оксидов. Им соответствуют амфотерные гидроксиды. Все они твердые вещества, нерастворимые в воде. Примеры амфотерных оксидов: ZnO, BeO, SnO, PbO, Al 2 O 3 , Cr 2 O 3 , Sb 2 O 3 , MnO 2 .
Свойства амфотерных оксидов .
Амфотерные оксиды реагируют с кислотами как основные:
Al 2 O 3 +6HCl=2AlCl 3 +3H 2 O,
а со щелочами – как кислотные. Состав продуктов реакции зависит от условий. При сплавлении:
ZnO+2NaOH=Na 2 ZnO 2 +H 2 O;
Цинкат натрия
В растворе щелочи образуется растворимая комплексная соль, содержащая гидроксокомплексный ион:
ZnO+2NaOH+H 2 O=Na 2
Тетрагидроксоцинкат натрия
Несолеобразующие оксиды – это оксиды неметаллов, которым не соответствуют гидроксиды и соли. Примеры: CO, N 2 O, NO, SiO.
Оксиды широко распространены в природе. Так вода – самый распространенный оксид покрывает 71% поверхности планеты. Оксид кремния (IV) в виде 400 разновидностей кварца составляет 12% от массы земной коры. Оксид углерода (IV) (углекислый газ) содержится в атмосфере - 0,03% по объему, а также в природных водах. Важнейшие руды: гематит, магнетит, бурый железняк состоят из различных оксидов железа. Бокситы содержат оксид алюминия, и т.д.
ОСНОВАНИЯ – сложные вещества, в которых на атом металла приходится одна или несколько гидроксогрупп ОН - . Степень окисления атомов металла обычно +1, +2 (реже +3). Общая формула оснований Ме(ОН) х, где х – число гидроксогрупп – кислотность основания. (МеОН – однокислотное, Ме(ОН) 2 – двухкислотное, Ме(ОН) 3 – трехкислотное основание).
Названия основаниям дают следующим образом: «гидроксид», затем русское название металла в родительном падеже, а в скобках римскими цифрами – степень окисления, если она переменная. Например: KOH –гидроксид калия, Ni(OH) 2 – гидроксид никеля(II).
При обычных условиях основания – твердые вещества, кроме гидроксида аммония – водного раствора аммиака NH 4 OH (NH 4 + - ион аммония, входящий в состав солей аммония).
Классификация оснований. В зависимости от отношения к воде основания делятся на растворимые (щелочи) и нерастворимые. К растворимым основаниям - щелочам относятся только гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов (LiOH, NaOH, KOH, CsOH, RbOH, FrOH, Ca(OH) 2 , Sr(OH) 2 , Ba(OH) 2 , Ra(OH) 2) а также водный раствор аммиака. Все остальные основания практически нерастворимы в воде.
С точки зрения теории электролитической диссоциации основания – электролиты, диссоциирующие в водном растворе с образованием в качестве анионов только гидроксид-ионов:
Ме(ОН) х Ме х+ + хОН - .
Наличие в растворе ионов гидроксида определяют с помощью индикаторов: лакмуса (синий), фенолфталеина (малиновый), метилоранжа (желтый). Нерастворимые основания не меняют окраски индикаторов.
И их производные. Все остальные вещества - неорганические.
Классификация неорганических веществ
Неорганические вещества по составу делят на простые и сложные.
Простые вещества состоят из атомов одного химического элемента и подразделяются на металлы, неметаллы, благородные газы. Сложные вещества состоят из атомов разных элементов, химически связанных друг с другом.
Сложные неорганические вещества по составу и свойствам распределяют по следующим важнейшим классам: оксиды, основания , кислоты, амфотерные гндроксиды, соли.
Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные урокиПростые вещества и химические соединения. Оксиды: основные, кислотные и амфотерные. Номенклатура оксидов. Зависимость кислотно-основного характера оксидов от положения в периодической системе и степени окисления элемента. Химическое взаимодействие между оксидами с образованием солей. Гидроксиды основные и амфотерные, кислоты. Их номенклатура и получение. Соли: нормальные, кислые и основные. Номенклатура солей. Получение и свойства солей.
Номенклатура и свойства комплексных соединений.
Неорганические соединения различают по составу (бинарные и многоэлементные) и функциональным признакам. К бинарным соединениям относят соединения элементов с кислородом (оксиды ), галогенами (галогениды – фториды, хлориды, бромиды, иодиды), халькогенами (халькогениды – сульфиды, селениды, теллуриды), азотом (нитриды), фосфором (фосфиды), углеродом (карбиды), кремнием (силициды ), а также соединения металлов друг с другом (интерметаллиды ) и водородом (гидриды ). Среди многоэлементных соединений выделяют гидроксиды (вещества, содержащие гидроксидные группы - ОН), производные гидроксидов – соли , а также комплексные соединения , гидраты и кристаллогидраты.
В соответствии с правилами ИЮПАК наименование любого вещества должно однозначно указывать на его состав. Поэтому в основу систематических.е. нование любого вещества должно однозначно указывать на его состав, поэтому в основу системаи соединений, нные соотношения названий неорганических веществ положены названия элементов, входящих в их состав.
Название бинарного соединения образуется из латинского корня наименования более электроотрицательного элемента с окончанием –ид и русского наименования менее электроотрицательного элемента в родительном падеже. При написании формулы вещества менее электроотрицательный элемент стоит левее. Например, Al 2 O 3 – оксид алюминия, AgI – иодид серебра, OF 2 – фторид кислорода. Для некоторых элементов корни их русских названий совпадают с корнями латинских, за исключением элементов, представленных ниже в таблице 1:
Таблица 1
Названия химических элементов
| Символьная запись | Русское название | Латинское название |
| Ag | Серебро | Аргент- |
| As | Мышьяк | Арс-, арсен- |
| Au | Золото | Аур- |
| C | Углерод | Карб-, карбон- |
| Cu | Медь | Купр- |
| Fe | Железо | Ферр- |
| H | Водород | Гидр-, гидроген- |
| N | Азот | Нитр- |
| Ni | Никель | Никкол- |
| O | Кислород | Окс-, оксиген- |
| Pb | Свинец | Плюмб- |
| S | Сера | Сульф-, тио- |
| Sb | Сурьма | Стиб- |
| Si | Кремний | Сил-, силиц-, силик- |
| Hg | Ртуть | Меркур- |
| Mn | Марганец | Манган- |
| Sn | Олово | Станн- |
Для обозначения количественного состава используют греческие числительные в качестве приставки, например, Hg 2 Cl 2 – дихлорид диртути, СО – монооксид углерода, СО 2 - диоксид углерода.
Числительные приставки имеют следующие названия:
1 - Моно- 5 - Пента- 9 - Нона-
2 - Ди- 6 - Гекса- 10 - Дека-
3 - Три- 7- Гепта- 11 - Ундека-
4 - Тетра- 8 - Окта- 12- Додека- .
Название многоэлементного соединения отражает его функциональные признаки, такие как принадлежность к гидроксидам или кислотам. Гидрооксиды – это соединения оксидов с водой. Их подразделяют на основные, проявляющие в химических реакциях свойства оснований, кислотные – проявляющие свойства кислот, амфотерные – способные проявлять как кислотные, так и основные свойства.
К классу оснований , согласно теории электролитической диссоциации, относят вещества, способные в водном растворе диссоциировать с образованием гидроксид-ионов ОН - : Наименование основного гидроксида (или основания) образовано из слова «гидроксид» и названия элемента в родительном падеже, после которого при необходимости указывают степень окисления элемента. Например, NaOH – гидроксид натрия, Fe(OH) 2 – гидроксид железа (II) или дигидроксид железа. Общую формулу основания можно записать как М(ОН) m , где М – металл, m- число гидроксильных групп, или кислотность основания .
Вещества, способные диссоциировать в растворе с образованием ионов водорода Н + , в соответствии с теорией электролитической диссоциацией относят к классу кислот .
Кислоты в зависимости от наличия в их составе кислорода подразделяются на кислородсодержащие и на безкислородные . В общем случае формулу кислоты можно записать как Н n А, где А – кислотный остаток, n – число атомов водорода в молекуле, или основность кислоты .
Систематическое название кислоты включает в себя наименование двух частей: электроположительной (атомы водорода) и электроотрицательной (кислотный остаток, анион). В названии аниона вначале указывают атомы кислорода (-оксо-), затем кислотообразующего элемента с добавлением суффикса -ат, далее в скобках абсолютную величину степени окисления этого элемента. Например, H 2 CO 3 – триоксокарбонат (IY) водорода, Н 2 SO 4 – тетраоксосульфат (VI) водорода. При наличии в анионе других атомов название аниона составляют из латинских корней названий соответствующих элементов и соединительной гласной -о- в порядке их размещения в формуле справа налево. Например, H 2 SO 3 (O 2) – пероксотриоксосульфат (VI) водорода, Н 2 SO 3 S – тиотриоксосульфат (VI) водорода. Систематические наименования наиболее употребительных кислот представлены в таблице 3.
Традиционное название состоит из двух слов – прилагательного, производного от корня названия кислотообразующего элемента, и слова «кислота», например, Н 2 SO 4 – серная кислота, НNO 3 – азотная кислота.
Амфотерные гидрооксиды способны диссоциировать в водных растворах как по типу оснований, так и по типу кислот, например,
При взаимодействии с кислотами они проявляют свойства оснований, а при взаимодействии с основаниями – свойства кислот. Их названия составляют по схеме, соответствующей основным гидроксидам.
Таблица 2
Названия важнейших кислот и их солей
| Формула кислоты | Названия | |
| Кислоты | Соли | |
| HAlO 2 | Метаалюминиевая | Метаалюминат |
| HAsO 3 | Метамышьяковая | Метаарсенат |
| H 3 AsO 4 | Ортомышьяковая | Ортоарсенат |
| HAsO 2 | Метамышьяковистая | Метаарсенит |
| H 3 AsO 3 | Ортмышьяковистая | Ортоарсенит |
| HBO 2 | Метаборная | Метаборат |
| H 3 BO 3 | Ортоборная | Ортоборат |
| H 2 B 4 O 7 | Четырёхборная | Тетраборат |
| HBr | Бромводород | Бромид |
| HOBr | Бромноватистая | Гипобромит |
| HBrO 3 | Бромноватая | Бромат |
| HCOOH | Муравьиная | Формиат |
| CH 3 COOH | Уксусная | Ацетат |
| HCN | Циановодород | Цианид |
| H 2 CO 3 | Угольная | Карбонат |
| H 2 C 2 O 4 | Щавелевая | Оксалат |
| HCl | Хлороводород | Хлорид |
| HOCl | Хлорноватистая | Гипохлорит |
| HClO 2 | Хлористая | Хлорит |
| HClO 3 | Хлорноватая | Хлорат |
| HClO 4 | Хлорная | Перхлорат |
| HCrO 2 | Метахромистая | Метахромит |
| H 2 CrO 4 | Хромовая | Хромат |
| H 2 Cr 2 O 7 | Двухромовая | Дихромат |
| HI | Йодоводород | Йодид |
| HOI | Йодноватистая | Гипойодит |
| HIO 3 | Йодноватая | Йодат |
| HIO 4 | Йодная | Перйодат |
| HMnO 4 | Марганцовая | Перманганат |
| H 2 MnO 4 | Марганцовистая | Манганат |
| H 2 MoO 4 | Молибденовая | Молибдат |
| HN 3 | Азидоводород (азотистоводородная) | Азид |
| HNO 2 | Азотистая | Нитрит |
| HNO 3 | Азотная | Нитрат |
| HPO 3 | Метафосфорная | Метафосфат |
| H 3 PO 4 | Ортофосфорная | Ортофосфат |
| H 4 P 2 O 7 | Двуфосфорная (пирофосфорная) | Дифосфат (пирофосфат) |
| H 3 PO 3 | Фосфористая | Фосфит |
| H 3 PO 2 | Фоснофорноватистая | Гипофосфит |
| H 2 S | Сероводород | Сульфид |
| HSCN | Родановодород | Роданид |
| H 2 SO 3 | Сернистая | Сульфит |
| H 2 SO 4 | Серная | Сульфат |
| H 2 S 2 O 3 | Тиосерная | Тиосульфат |
| H 2 S 2 O 7 | Двусерная (пиросерная) | Дисульфат (пиросульфат) |
| H 2 S 2 O 8 | Пероксодвусерная (надсерная) | Пероксидосульфат (персульфат) |
| H 2 Se | Селеноводород | Селенид |
| H 2 SeO 3 | Селенистая | Селенит |
| H 2 SeO 4 | Селеновая | Селенат |
| H 2 SiO 3 | Кремниевая | Силикат |
| HVO 3 | Ванадиевая | Ванадат |
| H 2 WO 4 | Вольфрамовая | Вольфрамат |
Соли представляют собой продукты замещения ионов водорода кислоты на металл или гидроксильных групп основания на кислотный остаток. В зависимости от полноты замещения атомов водорода или гидроксильных групп соли подразделяют на средние (или нормальные ), например К 2 SO 4 , кислые (или гидросоли ) например NaHCO 3 , и основные (или гидроксосоли ) например FeOHCl. Различают также двойные соли , образованные двумя металлами и одним кислотным остатком (КАl(SO 4) 2), и смешанные соли, образованные одним металлом и двумя кислотными остатками (СаСlОСl). Названия солей обусловлены систематическими названиями соответствующих кислот, например, К 2 SO 4 – тетраоксосульфат (VI) калия, NaHCO 3 – триоксокарбонат (IY) водорода-натрия, FeOHCl или, точнее, FeClOH – гидрокси-хлорид железа (II).
При наличии числовых приставок (1, 2, . . .) в названии вещества для верного понимания формулы применяют умножение приставки (например, КАl 3 (SO 4) 2 (OH) 6 – гексагидроксид-бис(сульфат) триалюминия-калия). Названия приставок следующие:
1 Монокис- 5 Пентакис- 9 Нонакис-
3 Трис- 7 Гептакис- 11 Ундекасис-
Традиционные наименования солей также содержат названия анионов в именительном падеже и названия катионов в родительном падеже (см. табл. 2), например, К 2 SO 4 – сульфат калия, NaHCO 3 – гидрокарбонат натрия, FeOHCl – гидроксохлорид железа (II).
Оксиды в зависимости от характерных функций, выполняемых в химических реакциях, подразделяют на солеобразующие (среди них выделяют основные, кислотные и амфотерные) и несолеобразующие .
Основные оксиды образуют соли при взаимодействии с кислотами или кислотными оксидами. Им соответствуют основания, так как они их образуют при взаимодействии с водой, например СаО – Са(ОН) 2 .
Кислотные оксиды образуют соли при взаимодействии с основаниями или основными оксидами. Они могут быть получены путем отделения воды от соответствующей кислоты. Поэтому их называют также ангидридами кислот, например SO 3 – ангидрид Н 2 SO 4 .
Амфотерные оксиды образуют соли как при взаимодействии с кислотами, так и при взаимодействии с основаниями, например, ZnO, Al 2 O 3 .
Гидраты и кристаллогидраты – соединения, содержащие в своем составе воду, например, NH 3 ∙ Н 2 О ∙ Fe 2 O 3 , n H 2 O, СuSO 4 ∙ 5Н 2 О. Как систематические, так и традиционные названия таких соединений начинаются со слова «гидрат» с соответствующей приставкой: NH 3 ∙ Н 2 О – гидрат аммиака, Fe 2 O 3 ∙ n H 2 O – полигидрат оксида железа (III), СuSO 4 ∙ 5Н 2 О – пентагидрад тетраоксосульфата меди (II), или пентагидрад сульфата меди (II).
Лекция 5. Химическая термодинамика
Химическая термодинамика. Термодинамические системы. Термодинамические параметры. Термодинамический процесс. Внутренняя энергия, теплота, работа. Первый закон термодинамики. Энтальпия. Закон Гесса и следствия из него. Энтропия. Второе начало термодинамики. Свободная энергия Гиббса и свободная энергия Гельгмольца.
Химическая термодинамика.
Термодинамика изучает взаимное превращение теплоты, работы и различных видов энергии. Слово термодинамика происходит от греческих слов термос (тепло) и динамос (сила, мощь). Термин термодинамика был введён Томсоном в 1854 году, который употребил его как синоним понятий теплота и работа.
Термодинамика основывается на трёх фундаментальных принципах, которые называются началами термодинамики. Они являются обобщением многочисленных экспериментальных фактов.
Применение методов термодинамики к химическим реакциям и процессам обусловили появление химической термодинамики. Предметом изучения химической термодинамики является превращение энергии при химических взаимодействиях, которые происходят при протекании химических процессов.
Термодинамические системы. Термодинамические параметры. Термодинамический процесс.
Термодинамика использует ряд понятий и модельных представлений, таких как термодинамическая система, параметры состояния, энергия, теплота, работа. Перейдем к их рассмотрению.
Понятие система означает ту часть материального мира, которую мы исследуем. Например, химический стакан с водой, реактор на химическом предприятии. Остальная часть материального мира, за пределами условно выделенной системы – называется окружением.
Термодинамической системой – называется совокупность тел, которая фактически или мысленно может быть выделена из окружающей среды. Система отделена от окружения границей, через которую совершается материальный обмен - массообмен или (и) теплообмен. В зависимости от степени изолированности различают открытые, закрытые, изолированные системы.
Открытые системы – это системы, которые обмениваются с внешней средой веществом, механической работой, теплотой и излучением. Например, в пробирке смешивается карбонат натрия (сода) с раствором хлорводородной кислоты. В результате протекает реакция
Na 2 CO 3 + HCl = NaCl + CO 2 + H 2 O.
В рассматриваемом химическом процессе масса системы уменьшается, так как улетучивается диоксид углерода, и выделяется тепло, часть которого идёт на нагрев окружающего воздуха.
Закрытые системы – системы, которые не обмениваются с внешней средой веществом, но взаимодействуют с ней посредством механической работы, теплообмена и излучения. Примером закрытой системы является пробирка, в которой происходит смешение соды с хлорводородной кислотой, закрытая пробкой.
Изолированные системы – системы невзаимодействующие с внешней средой. Между изолированной системой и окружением не происходит никакого обмена ни веществом, ни энергией. На практике понятие абсолютно изолированных систем не существует, оно является абстрактным, мысленным построением. Примером приближенно изолированной системы является термос или сосуд Дьюара.
Система может находиться в том или ином состоянии. Состоянием системы называется совокупность физических и химических свойств, характеризующих систему.
Состояние термодинамической системы характеризуют параметры состояния : давление, объём, температура, концентрация.
Давление (Р) характеризует подвижность молекул и определяется силой, с которой газообразные частицы действуют на стенки сосуда. Давление измеряют в Па (Паскаль), атм (атмосфера), мм рт. ст. (миллиметры ртутного столба): 1 атм = 760 мм рт. ст. = 101325 Па.
Объём (V) характеризует часть пространства, занимаемого веществом. Измеряют объём в м 3 (кубический метр), см 3 (кубический сантиметр), л (литр), мл (миллилитр): 1 м 3 = 1000 л; 1л = 1000 мл.
Температура (Т, t) характеризует степень нагретости системы и измеряется в К (шкала Кельвина) и 0 С (шкала Цельсия). Для перевода температур, выраженных в разных шкалах, используют выражение
Т = t + 273 (1).
Концентрация вещества (с) определяет количественный состав раствора, смеси, расплава. Например, молярная концентрация – количество молей вещества в 1 л раствора или смеси, обозначается через моль/л.
Таким образом, набор параметров (р, V, Т) называется состоянием системы, так как считается, что он полностью определяет состояние. Термодинамические параметры являются макроскопическими величинами, измеряемыми в опыте. Они являются функциями состояния, то есть их изменение определяется только начальным и конечным состояниями и не зависит от пути процесса, в результате которого произошло это изменение
∆ Т = Т кон – Т нач = Т 2 – Т 1 (2).
Для бесконечно малых изменений можно записать
∆ Т = dT (3).
Если величина не является функцией состояния, а зависит от пути процесса, то она является функцией перехода. В этом случае бесконечно малое изменение величины А записывают в виде
∆А = δА (4).
Таким образом, знак ∆ - обозначает изменение величины, являющейся функцией состояния, знак δ – обозначает изменение величины, являющейся функцией перехода.
Термодинамические параметры не являются независимыми, а связаны уравнением состояния. Примером такого уравнения является уравнение состояния идеального газа, которое называется уравнением Менделеева-Клайперона
где n – число молей газа; R – газовая постоянная.
Состояние термодинамической системы может изменяться с течением времени. Обычно такое изменение фиксируется при измерении одного из термодинамических параметров. Поэтому в термодинамике используется понятие термодинамического процесса.
Термодинамическим процессом называется всякое изменение в системе, связанное с изменением хотя бы одного параметра. Таким образом, термодинамический процесс – это изменение состояния системы. Различают следующие процессы: изохорный (V = const), изобарный (p = const), изотермический (T = const), адиабатный (теплота Q = 0).
Термодинамические процессы бывают:
-обратимые , когда переход из одного состояния в другое и обратно может происходить по одному и тому же пути, и после возвращения в исходное состояние в окружающей среде не остаётся макроскопических изменений; примером обратимого процесса является сжатие и растяжение пружины;
-необратимые или неравновесные , когда параметры изменяются с конечной скоростью и переход из одного состояния в другое и обратно не может происходить по одному и тому же пути, в результате в окружающей среде остаются макроскопические изменения; примером необратимого процесса является пластическая деформация металлической проволоки.
Внутренняя энергия, теплота, работа.
Кроме термодинамических параметров немаловажную роль играют и другие термодинамические величины, такие как работа и теплота. Они являются количественной мерой термодинамических процессов и характеризуют участие системы в термодинамических процессах. Работа и теплота являются энергетическими характеристиками. Поэтому рассмотрим понятие энергии.
Энергия происходит от греческого слова «действие» - есть мера способности совершать работу. Энергия измеряется в Дж (Джоуль). Многочисленные наблюдения и опытные факты говорят о следующих свойствах энергии.
Энергия не исчезает и не возникает из ничего.
Энергия может существовать в разнообразных формах.
В изолированной системе энергия может переходить из одной формы в другую, но её количество остаётся постоянным.
Если система не изолирована, то её энергия может изменяться, но при одновременном изменении энергии внешней среды на точно такую же величину.
Любая система обладает определённым запасом энергии, то есть энергия неотъемлемое свойство системы.
Для рассмотрения химических процессов важны следующие формы энергии: солнечная, механическая, химическая, ядерная, электрическая.
Различают следующие виды энергии: кинетическую (энергия движения), потенциальную (энергия положения и взаимодействия) и внутреннюю энергию (энергию состояния).
Химия изучает превращения химических веществ, которых на сегодняшний день известно более 20 миллионов. Поэтому важна классификация химических соединений, т. е. объединение их в группы или классы, обладающие сходными свойствами. Данный урок поможет изучить современную классификацию неорганических веществ и познакомит с правилами составления их названий по химическим формулам.
Тема: Основные классы соединений, их свойства и типичные реакции
Урок: Классификация и номенклатура неорганических веществ
Неорганические вещества по составу принято делить на две группы: немногочисленную группу простых веществ (их насчитывается около 400) и очень многочисленную группу сложных веществ. Простые вещества состоят из одного химического элемента, а сложные - из нескольких.
Все простые вещества можно разделить на металлы и неметаллы, поскольку их свойства существенно отличаются. Металлы обладают металлическим блеском, высокой тепло- и электропроводностью, пластичны, проявляют восстановительные свойства. Неметаллы обладают очень разными физическими и химическими свойствами, но, как правило, в твердом состоянии хрупкие, плохо проводят электрический ток и тепло.
Граница между металлами и неметаллами условна. Существуют вещества, обладающие свойствами как металлов, так и неметаллов. Например, серый мышьяк имеет металлический блеск и электрическую проводимость (рис. 1), а другая аллотропная модификация - желтый мышьяк - имеет чисто неметаллические свойства.
Рис. 1. Серый мышьяк
Сложные вещества обычно делят на классы: оксиды, кислоты, основания, амфотерные гидроксиды и соли (Рис. 2). Данная классификация несовершенна, т. к. в ней нет места для аммиака, соединений металлов с фосфором, азотом, углеродом и т. д.
Рис. 2. Классификация неорганических веществ
Оксиды могут быть солеобразующими и несолеобразующими. Солеобразующим оксидам соответствуют гидроксиды и соли с элементом в той же степени окисления, что и в оксиде. Несолеобразующие оксиды не имеют соответствующих гидроксидов и солей. Таких оксидов немного: N 2 O, NO, SiO, CO.
Солеобразующие оксиды в зависимости от кислотно-основного характера делятся на кислотные, амфотерные и основные.
Основные оксиды образованы металлами с небольшими степенями окисления +1, +2. Амфотерные оксиды образованы переходными металлами со степенями окисления +3, +4, а также Be, Zn, Sn, Pb. Кислотные оксиды образованы неметаллами, а также металлами со степенью окисления больше, чем +4. Рис. 3.
Рис. 3. Классификация оксидов
Кислоты - это сложные вещества, состоящие из атомов водорода, способных замещаться на металлы, и кислотных остатков. Кислоты можно разделить на группы по содержанию кислорода: кислородосодержащие (например, HNO 3 , H 2 SO 4 , H 3 PO 4) и бескислородные (HI, H 2 S). Рис. 4.
Рис. 4. Классификация кислот
Основания - это сложные вещества, состоящие из катионов металла и одного или нескольких гидроксид-анионов. В основу классификации оснований могут быть положены разные признаки. Например, их отношение к воде. По данному признаку основания делят на растворимые в воде (щелочи) и нерастворимые в воде. Рис. 5.
Рис. 5. Классификация оснований
Амфотерные гидроксиды - это сложные вещества, которые имеют свойства и кислот, и оснований, и потому их формулы можно записывать в разных формах:
Zn(OH) 2 = H 2 ZnO 2
форма основания форма кислоты
Существует несколько видов солей (рис. 6).
Рис. 6. Виды солей
Средние соли состоят из катионов металла (или аммония) и анионов кислотных остатков. Кислые соли, кроме катионов металла, содержат катионы водорода и анион кислотного остатка. Основные соли в своем составе содержат гидроксид-анионы.
Если соль образована двумя видами катионов металлов и одним анионом, то ее называют двойной. Например, сульфат алюминия-калия KAl(SO 4) 2 .
Соли с двумя разными анионами и одним катионом называют смешанными. Например, Са(OCl)Cl - хлорид-гипохлорит кальция.
В комплексных солях содержится сложный ион, который принято заключать в квадратные скобки.
Список литературы
- Кузнецова Н.Е., Литвинова Т.Н., Лёвкин А.Н. Химия: 11 класс: учебник для учащихся общеобраз. учрежд. (профильный уровень): в 2-х ч. Ч.2. - М.: Вентана-Граф, 2008. (§55)
- Радецкий А.М. Химия. Дидактический материал. 10-11 классы. - М.: Просвещение, 2011.
- Хомченко И.Д. Сборник задач и упражнений по химии для средней школы. - М.: РИА «Новая волна»: Издатель Умеренков, 2008. (с. 27-30)
- Энциклопедия для детей. Том 17. Химия / Глав. ред. В.А. Володин, вед. науч. ред. И. Леенсон. - М.: Аванта+, 2003. (с. 156-159)