Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
КЛАССЫ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙСтр 1 из 4Следующая ⇒
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИИ. КЛАССЫ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Составители: В.М. Мерзлякова В.В. Сентемов
Ижевск ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА 2014 УДК 54(076.5) ББК 24я73 О 75
Учебное пособие составлено в соответствии с требованиями Федерального Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования, утвержденный МОН РФ Приказ №490 от «28» октября 2009 г. 110100 Агрохимия и агропочвоведение, Приказ №811 от «22» декабря 2009 г. 110400 Агрономия.
Рецензенты:
С.Н. Смарыгин – канд. х. наук, доцент кафедры неорганической и аналитической химии РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, Л.А. Грозина – канд. х. наук, доцент кафедры химии и химической технологии ФГБОУ ВПО ИжГТУ имени М.Т. Калашникова, Н.Г. Главатских – канд. тех. наук, доцент кафедры химии ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА.
Составители:
В.М. Мерзлякова – канд. с.-х. наук, доцент кафедры химии ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА, В.В. Сентемов – канд. х. наук, профессор кафедры химии ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА.
О 75 Основные понятия химии. Классы неорганических соединений: учебное пособие для самостоятельной работы и лабораторно-практ. занятий студентов /Сост. В.М. Мерзлякова, В.В. Сентемов. – Ижевск: ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2014. – 119 с.
В учебном пособии приводятся материалы, рассматривающие основные понятия химии, классификацию, номенклатуру, способы получения и свойства основных классов неорганических соединений: оксидов, гидроксидов, солей и бинарных соединений, тестовые задания, задания для самостоятельной и контрольной работ. Приведены лабораторные работы по разделу «Классы неорганических соединений». Учебное пособие может быть использовано для выполнения домашних заданий, самостоятельных и лабораторных работ студентами обучающихся по направлениям подготовки 110100 Агрохимия и агропочвоведение и 110400 Агрономия (квалификация (степень) «бакалавр»), а также других направлений изучающих дисциплину «Химия».
CОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Данное учебное пособие представляет собой часть разрабатываемого авторами учебно-методического комплекса по Химии для студентов, изучающих неорганическую и общую химию в аграрном вузе. Цель настоящего пособия – помочь студентам, изучающим курс неорганической и общей химии, подготовится к контрольным, самостоятельным, домашним работам, к тестированию, зачетам и экзаменам. Химия является одной из основных естественнонаучных дисциплин, и ее законы применяются повсеместно. Мы сталкиваемся с их проявлениями в технике и окружающем нас быту. В процессе изучения химии у студентов формируется диалектико-материалистическое мировоззрение, вырабатывается научный взгляд на мир в целом. Знание химии необходимо для плодотворной творческой деятельности студента любой специальности. Изучение химии позволяет получить современное научное представление о материи и формах ее движения, веществе как одном из видов движущейся материи, механизме превращения химических соединений, свойствах и применении химических веществ и процессов в современном народном хозяйстве. Химические процессы, а также новые химические препараты и вещества все шире используются в нашей повседневной жизни. Таким образом, не существует практически ни одного технологического процесса, в котором бы не применялись операции, основанные на химических законах и явлениях. В век научно-технической революции постоянно разрабатываются новые технологии, все более широко используются новые материалы со свойствами, ранее недоступными. Знание химии необходимо для успешного изучения общенаучных и специальных дисциплин. В данном учебном пособии, из большого числа химических законов и явлений, приведены лишь некоторые из них, а именно те, которые наиболее часто встречаются агрономам и специалистам различного профиля, работающим в таких отраслях народного хозяйства, как пищевая промышленность, энергетика, ветеринария, зоотехния, механизация и электрификация сельского хозяйства, лесное дело и др. После освоения теоретических представлений студент может переходить к рассмотрению примеров типовых заданий. Полезно попытаться сначала самостоятельно справиться с ними, не заглядывая в решение, а затем уже сопоставить свое решение с приведенным в пособии. Для самопроверки усвоения изучаемого материала приводятся контрольные вопросы и задачи. Если с первого раза с решением задач студенту справится, не удается, ему необходимо еще раз обратится к учебнику, к другим пособиям или прибегнуть к консультации преподавателя. В конце настоящего пособия в Приложении приведены некоторые справочные материалы – Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева (приложение А); таблица растворимости солей и оснований (приложение Б); ряд стандартных электродных потенциалов (ряд активности металлов) (приложение В); меры первой помощи при возможных несчастных случаях при выполнении лабораторной работы (приложение Г); термины и определения в химии (приложение Д). Учебная дисциплина «ХИМИЯ» входит в базовую часть цикла математических и естественнонаучных дисциплин, включенных в учебный план подготовки бакалавров. Цель дисциплины — развитие химического и экологического мышления студентов, формирование естественнонаучных представлений о веществах и химических процессах в природе и сельскохозяйственном производстве. Задачами дисциплины являются: − изучить основы химии как общеобразовательной дисциплины; − привить студентам знания по теоретическим основам химии и свойствам важнейших биогенных и токсичных химических элементов и образуемых ими простых и сложных неорганических веществ; − научить студентов предсказывать возможность и направление протекания химических реакций; − устанавливать взаимосвязи между строением вещества и его химическими свойствами; − пользоваться современной химической терминологией; − создать успешное освоение последующих химических, общебиологических и специальных дисциплин и для ориентировки в свойствах неорганических соединений, применяемых в сельском хозяйстве; В процессе изучения дисциплины студент должен овладеть следующими компетенциями: Таблица 1 – Перечень общекультурных (ОК) и профессиональных (ПК) компетенций
1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ХИМИИ В ходе своего развития химия как наука сформировала целую систему основных понятий и законов, без четкого овладения которыми успешное изучение химии невозможно. Основополагающими понятиями химии являются: атом, молекула, химический элемент, вещество, атомная масса, молекулярная масса, моль, химическая реакция. На понятиях «атом» и «молекула» основано атомно-молекулярное учение, являющееся фундаментом современных представлений о веществе – главном объекте изучения в химии.
Химический эквивалент
В химии широко используются понятия химический эквивалент (Э) (эквивалент), моль эквивалентов, молярная масса эквивалентов вещества (Мэкв.). Химический эквивалент (Э) – реальная или условная частица, соответствующая одному иону водорода в кислотно-основных или ионообменных реакциях или одному электрону в окислительно-восстановительных реакциях. Её состав выражают с помощью химических формул и символов. Эквивалент безразмерная величина. При определении эквивалента вещества необходимо исходить из конкретной реакции, в которой участвует конкретное вещество. Определим эквиваленты КОН и Са(ОН)2 в следующих реакциях: КОН + HCl → KCl + H2O (1) 1 молекула 1 молекула – + Ионное уравнение: ОН + Н → H2O Из ионного уравнения реакции следует, что одному иону водорода соответствует один гидроксид-ион, входящий в состав одной молекулы КОН, поэтому Э(КОН) = КОН следовательно, 1 эквивалент КОН совпадает с его формульной единицей (ФЕ) – 1ФЕ КОН. В молекуле гидроксида кальция Са(ОН)2 два гидроксид-иона. Нужно помнить, что в реакциях замещения происходит постепенное замещение одноименно заряженных ионов. Поэтому при взаимодействии Са(ОН)2 с HCl возможно протекании реакции нейтрализации по двум направлениям: 1). частичная нейтрализация Са(ОН)2 Са(ОН)2 + HCl → Са(ОН)Cl + H2O (2) 1 молекула 1 молекула В реакции обмена участвует один гидроксид-ион Са(ОН)2. Он соответствует одному иону водорода молекулы HCl. Поэтому один эквивалент Са(ОН)2 соответствует одной формульной единице: Э(Са(ОН)2) = 1ФЕ(Са(ОН)2) 1 моль Са(ОН)2 1 эквивалент
2). полная нейтрализация Са(ОН)2 Са(ОН)2 + 2HCl → СаCl2 + H2O (3) 1 молекула 2 молекулы В реакции обмена участвует два гидроксид-иона Са(ОН)2. Они соответствуют двум ионам водорода двух молекул HCl, следовательно, в одной формульной единице Са(ОН)2 содержится 2 эквивалента Са(ОН)2: 1 моль Са(ОН)2 2 эквивалента 1/2 Са(ОН)2 1 эквивалент В данном случае, в одной формульной единице Са(ОН)2 содержится два эквивалента Са(ОН)2, таким образом 1 экв. Са(ОН)2 = 1/2 ФЕ(Са(ОН)2). Из рассмотренных уравнений реакций нейтрализации раствора Са(ОН)2 раствором HCl видно, что эквивалент вещества может быть переменной величиной. Число, обозначающее, какая доля реальной частицы эквивалентна одному иону водорода в кислотно-основных (ионообменных) реакциях или одному электрону в окислительно-восстановительных реакциях, называется фактором эквивалентности (fэкв.). В рассмотренных выше примерах fэкв.(КОН) = 1, в реакции (2) fэкв.(Са(ОН)2) = 1, а в реакции (3) fэкв.(Са(ОН)2) = 1/2. Единицей измерения количества вещества эквивалентов является моль. Моль эквивалентов – количество вещества, содержащего 6, 02 × 1023 эквивалентов. Количество вещества эквивалентов обозначается символом nэкв. (в-ва) и представляет собой физическую величину, пропорциональную числу эквивалентов вещества (в-ва): Nэкв.(в-ва) nэкв.(в-ва) = , NA
где Nэкв.(в-ва) – число эквивалентов вещества; NA – число Авогадро. Количество вещества эквивалентов измеряется в молях. Молярная масса эквивалентов вещества (М экв. ) – это масса одного моля эквивалентов вещества. Единицей измерения молярной массы эквивалентов является г/моль. Молярные массы эквивалентов можно рассчитать, если известны молярные массы веществ и их фактор эквивалентности, по формуле Мэкв.(в-ва) = М(в-ва) × fэкв.(в-ва), где М(в-ва) – молярная масса данного вещества; fэкв.(в-ва) – фактор эквивалентности вещества. Фактор эквивалентности вещества рассчитывают по следующим формулам: 1 ; f экв . (кислоты) = число ионов в молекуле кислоты, участвующих в химической реакции + Пример: В молекуле серной кислоты Н2SO4 максимальное число ионов Н равно двум: + Н О О + S Н О О, поэтому при полной нейтрализации кислоты
f экв . (Н2SO4) = 1/2. В молекуле фосфористой кислоты Н3РО3, имеющей следующее строение: + Н О О + Р Н О Н, тоже два иона водорода, поэтому при полной нейтрализации кислоты: f экв . (Н3РO3) = 1/2. В молекуле уксусной (этановой) кислоты СН3СООН, имеющей строение О + СН3С – О – Н, один ион водорода, поэтому f экв . (СН3СОOН) = 1/1 = 1.
Фактор эквивалентности оснований и амфотерных гидроксидов, проявляющих свойства оснований рассчитывается по формуле: 1 ; f экв (основания) = число ионов в молекуле основания, участвующих в химической реакции Пример: В молекуле Fe(OH)2 два гидроксид-иона. При полной нейтрализации основания Fe(OH)2 его фактор эквивалентности равен: f экв Fe(OН)2 = 1/2. Фактор эквивалентности соли рассчитывается по формуле: 1 . f экв . (соли) = число ионов металла в молекуле соли умноженное на заряд иона металла Пример: В молекуле соли Cr2(SO4)3 число ионов хрома равно двум, а заряд иона хрома + 3, тогда 1 1 f экв (Cr2(SO4)3) = = . 2 × 3 6 Используя математические выражения Мэкв.(в-ва) = М(в-ва) × fэкв.(в-ва), рассчитаем молярные массы эквивалентов в уравнениях реакций (1) – (3): 1). Мэкв.(КОН) = М(КОН) × fэкв.(КОН) = 56 × 1 = 56 г/моль; 2). Мэкв.(Са(ОН)2) = М(Са(ОН)2) × fэкв.(Са(ОН)2) = 74 × 1 = 74 г/моль; 3). Мэкв.(Са(ОН)2) = М(Са(ОН)2) × fэкв.(Са(ОН)2) = 74 × 1/2 = 37 г/моль. Таким образом, молярная масса эквивалентов одного и того же вещества могут иметь различные значения. Для расчета молярной массы эквивалентов различных типов веществ используют следующие математические выражения: 1). Для простого вещества: Ма Мэкв.(в-ва) = , В где Ма – молярная масса атома данного простого вещества; В – степень окисления атома. 2). Для оксидов: Эквивалент оксидов равен сумме молярных масс эквивалентов атома элемента и атома кислорода и определяется по формуле: М(оксида) Мэкв.(в-ва) = , В × С где М – молярная масса оксида; В – степень окисления элемента в оксиде; С – число атомов элемента в оксиде. Пример: Рассчитаем Мэкв.(Fe2O3). Алгоритм решения: Для других сложных веществ: М(в-ва) Мэкв.(в-ва) = , Фn где М(в-ва) – молярная масса вещества; Фn – заряд функциональной группы; n – число функциональных групп в молекуле вещества, участвующих в химической реакции. Функциональной группы кислот является ион водорода, оснований – гидроксид-ион, солей – катион металла. Рассчитаем молярные массы эквивалентов H3PO4; Ba(OH)2 и Cr2(SO4)3 + – 3+ при помощи участия ионов Н – кислот; ОН – основания и Cr – соли в реакциях + __ 3+ полного обмена ионов Н – кислот; ОН – основания и Cr: М(H3PO4) 98 Мэкв.(H3PO4) = = = 32, 66 г/моль; Фn 3 × 1
М(Ва(ОН)2) 171, 33 Мэкв.(Ва(ОН)2) = = = 85, 66 г/моль; Фn 2 × 1 М(Cr2(SО4)3) 392 Мэкв.(Cr2(SО4)3) = = = 65, 33 г/моль; Фn 3 × 2
В любой химической реакции один эквивалент одного реагирующего вещества взаимодействует с одним эквивалентом другого вещества, образуя эквивалентные количества продуктов реакции. В результате работ И.В. Рихтера (1792 – 1800 гг.) был открыт закон эквивалентов: массы взаимодействующих веществ прямо пропорциональны их химическим эквивалентам. Для количественных расчетов используется закон эквивалентов: массы реагирующих и образующихся веществ относятся друг к другу, как их эквивалентные массы, т.е.все вещества реагируют друг с другом в эквивалентных количествах в соответствии с законом эквивалентов. Математическое выражение закона эквивалентов имеет следующий вид: m 1 = m экв (1) или m 1 = m 2 m2 mэкв(2) mэкв (1) mэкв (2)
где m1 и m2 – массы реагирующих или образующихся веществ; mэкв(1) и mэкв(2) – эквивалентные массы этих веществ.
Пример: Определите массу карбоната натрия Na2CO3, необходимую для полной нейтрализации 1, 96 кг серной кислоты H2SO4. Решение: воспользуемся законом эквивалентов m( Na2 CO3) = m экв ( Na2 CO3) m(H2SO4) mэкв(H2SO4)
определяем эквивалентные массы веществ, исходя из их химических формул: mэкв(Na2CO3) = = 53 г/моль; mэкв(H2SO4) = = 49 г/моль, тогда Х = 53 г/моль, отсюда Х = 2, 12 кг. 1, 96 кг 49 г/моль
Например: в реакции HCl + KOH → KCl + H2O один эквивалент HCl реагирует с одним эквивалентом KOH с образованием по одному эквиваленту KCl и H2O. На основании молярной массы эквивалентов можно записать следующее выражение: m ( HCl ) = Э( KCl ) . . m(KOH) Э(H2O) Степень окисления
Понятие степень окисления введено для характеристики состояния атома в соединении. При определении этого понятия условно предполагают, что в соединении валентные электроны полностью перешли к более электроотрицательным атомам, а потому соединения состоят только из положительно и отрицательно заряженных ионов. В действительности же при образовании большинства соединений происходит не отдача электронов, а только смещение электронной пары в молекуле к более электроотрицательному атому или точнее, связующего электронного облака от одного атома к другому. Степень окисления – это условный заряд, который приписывается атому, исходя их предположения, что соединение состоит только из ионов, и при этом электронейтрально. Степень окисления определяется числом полностью смещенных электронов от одного элемента к другому в соединении. В простых веществах отсутствует какое – либо смещение электронов, поэтому степень окисления элементов в простых веществах считается равной нулю, например: и т.д. При определении степени окисления атомов в сложных соединениях, Нужно помнить: 1) степень окисления водорода в соединениях со всеми элементами равна (+1), кроме солеобразующих гидридов щелочных и щелочноземельных металлов и т.д., где степень окисления водорода равна (− 1);
2) степень окисления кислорода в большинстве соединений равна (− 2), за исключением соединения кислорода с фтором , в котором степень окисления кислорода (+ 2) – фторид кислорода; пероксидов супероксидов
3) степень окисления фтора во всех сложных соединениях равна (− 1);
4) высшая положительная степеньокисления элементов равна номеру группы периодической системы, в которой находится элемент, например: ; ; ; и др. (кроме следующих элементов: Cu; Ag; Au; O; F; He; Ne; Ar; Fe; Co; Ni; Pd; Pt и некоторые другие).
5) низшая отрицательнаястепень окисления элементов характерна только для элементов главных подгрупп IV − VII групп и водорода . Низшая отрицательная степень окисления этих элементов рассчитывается по формуле: Вопросы и задачи для самоконтроля
1) Какой объем займут: а) 1 г водорода; б) 32 г кислорода; в) 14 г азота при нормальных условиях?
2) Вычислить массу в граммах при нормальных условиях: а) 1 л азота; б) 8 л СО2; в) 1 м3 кислорода.
3) Какой объем займут 9, 03 × 1023 молекул хлора при нормальных условиях?
4) Сколько молекул содержится в 16 г кислорода? 5) Сколько молей серной кислоты (H2SO4) содержится в 196 г её?
6) Сколько молей карбоната натрия (Na2CO3) содержится в 53 г его?
7) Сколько молей гидроксида натрия (NaOH) содержится в 160 г его?
8) Определить степень окисления хлора в следующих соединениях: NaClO, NaClO2, NaClO4, CaCl2, Cl2O7, KClO3, HCl.
9) Определить степень окисления фосфора в следующих соединениях: H3PO4, PH3, KH2PO4, K2HPO4, HPO3, H4P2O7.
10) Определить степень окисления марганца в следующих соединениях: MnO, Mn(OH)4, KMnO4, K2MnO4, K2MnO3.
11) Какие типы химических реакций вам известны? Приведите примеры.
12) Какая реакция: соединения, разложения, замещения или обмена происходит при образовании воды: а) в результате горения водорода на воздухе; б) в результате взаимодействия водорода с оксидом меди (II); в) в результате нагревания гидроксида железа (III); г) при взаимодействии гидрокарбоната калия с гидроксидом калия.
13) Закончите уравнения реакций, расставьте коэффициенты и назовите, к какому типу относятся данные уравнения реакций, запишите уравнения реакций между электролитами в ионном виде: |
Последнее изменение этой страницы: 2019-10-04; Просмотров: 172; Нарушение авторского права страницы