• все металлы;
• многие неметаллы (инертные газы, C , Si , B , Se , As , Te ).

Из молекул состоят:

• практически все органические вещества;
• небольшое число неорганических: простые и сложные газы (H 2 , O 2 , O 3 , N 2 , F 2 , Cl 2 , NH 3 , CO , CO 2 , SO 3 , SO 2 , N 2 O , NO , NO 2 , H 2 S ), а также H 2 O , Br 2 , I 2 и некоторые другие вещества.

Из ионов состоят:

• все соли;
• многие гидроксиды (основания и кислоты).

Состоят из атомов или молекул, – из молекул или ионов. Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, молекулы сложных веществ – из различных атомов.

Закон постоянства состава

Закон постоянства состава был открыт Ж. Прустом в 1801 году:

Всякое вещество, независимо от способа его получения, имеет постоянный качественный и количественный состав.

К примеру, оксид углерода СО 2 можно получить несколькими способами:

• С + O 2 = t = CO 2
• MgCO 3 +2HCl = MgCl 2 + H 2 O +CO 2
• 2CO + O 2 = 2CO 2
• CaCO 3 = t = CaO + CO 2

Однако, независимо от способа получения, молекула СО 2 всегда имеет один и тот же состав : 1 атом углерода и 2 атома кислорода.

Важно помнить:

• Обратное утверждение, что определенному составу отвечает определенное соединение , неверно . К примеру, диметиловый эфир и этиловый спирт имеют одинаковый качественный и количественный состав, отраженный в простейшей формуле С 2 Н 6 О , однако они являются различными веществами, так как имеют различное строение. Их рациональные формулы в полуразвернутом виде будут разными:

1. СН 3 – О – СН 3 (диметиловый эфир);
2. СН 3 – СН 2 – ОН (этиловый спирт).

• Закон постоянства состава строго применим лишь к соединениям с молекулярной структурой (дальтонидам ). Соединения с немолекулярной структурой (бертоллиды ) часто имеют переменный состав.

Химический состав сложных веществ и механических смесей

Сложное вещество (химическое соединение) – это вещество, состоящее из атомов различных химических веществ.

Основные признаки химического соединения:

• Однородность;
• Постоянство состава;
• Постоянство физических и химических свойств;
• Выделение или поглощение при образовании;
• Невозможность разделения на составные части физическими методами.

В природе нет абсолютно чистых веществ. В любом веществе имеется хотя бы ничтожный процент примесей. Поэтому на практике всегда имеют дело с механическими смесями веществ. Однако, если содержание одного вещества в смеси значительно превосходит содержание всех остальных, то условно считается, что такое вещество является индивидуальным химическим соединением .

Допустимое содержание примесей в веществах, выпускаемых промышленностью, определяется стандартами и зависит от марки вещества.

Общепринята следующая маркировка веществ:

• техн – технический (в своем составе может иметь до 20%; примесей);
• ч – чистый;
• чда – чистый для анализа;
• хч – химически чистый;
• осч – особой чистоты (допустимая норма примесей в составе – до 10 -6 % ).

Вещества, образующие механическую смесь, называются компонентами. При этом вещества, масса которых составляет большую часть от массы смеси, называют основными компонентами , а все остальные вещества, образующие смесь – примесями .

Отличия механической смеси от химического соединения:

• Любую механическую смесь можно разделить на составные части физическими методами, основанными на различии плотностей , температур кипения и плавления , растворимости , намагничиваемости и других физических свойств компонентов, образующих смесь (например, смесь древесных и железных опилок можно разделить с помощью Н 2 О или магнита);
• Непостоянство состава;
• Непостоянство физических и химических свойств;
• Неоднородность (хотя смеси газов и жидкостей могут быть однородны, к примеру – воздух).
• При образовании механической смеси не происходит выделения и поглощения энергии.

Промежуточное положение между механическими смесями и химическими соединениями занимают растворы:

Как и для химических соединений, для растворов характерна:

• однородность;
• выделение или поглощение теплоты при образовании раствора.

Как и для механических смесей, для растворов характерна:

• легкость разделения на исходные вещества физическими методами (например, выпариванием раствора поваренной соли, можно получить отдельно Н 2 О и NaCl );
• непостоянство состава – их состав может меняться в широких пределах.

Химический состав по массе и по объему

Состав химических соединений, а также состав смесей различных веществ и растворов выражают в массовых долях (массовых %), а состав смесей жидкостей и газов, кроме того, в объемных долях (объемных %).

Состав сложного вещества, выраженный через массовые доли химических элементов, называется составом вещества по массе.

Например, состав Н 2 О по массе:

То есть, можно сказать, что химический состав воды (по массе): 11,11% водорода и 88,89% кислорода.

Массовая доля компонента в механической смеси (W) – это число, показывающую, какую часть смеси составляет масса компонента от общей массы смеси, принятой за единицу или 100%.

W 1 = m 1 /m (cм.) , m (см.) = m 1 + m 2 + …. mn,

Где m 1 – масса 1-го (произвольного)компонента, n – число компонентов смеси, m 1 … m n – массы компонентов, образующих смесь, m (cм.) – масса смеси.

Например, массовая доля основного компонента :

W (осн. комп) = m (осн. комп) / m (см.)

Массовая доля примеси:

W (прим.) = m (прим) /m (см.)

Сумма массовых долей всех компонентов, образующих смесь равна 1 или 100% .

Объемная доля газа (или жидкости) в смеси газов (или жидкостей) – это число, показывающее, какую часть по объему составляет объем данного газа (или жидкости) от общего объема смеси, принятого за 1 или за 100% .

Состав смеси газов или жидкостей, выраженный в объемных долях, называется составом смеси по объему .

Например, состав смеси сухого воздуха :

• По объему: W об ( N2) = 78,1% , W об (O2) = 20,9%
• По массе: W (N2) = 75,5% , W ( O2) = 23,1%

Этот пример наглядно демонстрирует, что во избежание путаницы, корректно будет всегда указывать, по массе или по объему указано содержание компонента смеси, ведь эти цифры всегда отличаются: по массе в воздушной смеси кислорода получается 23,1 % , а по объему – всего 20,9%.

Растворы можно рассматривать как смеси из растворенного вещества и растворителя. Поэтому их химический состав, как и состав любой смеси, можно выражать в массовых долях компонентов:

W (раств. в-ва) = m (раств. в-ва) /m (р-ра) ,

где

m (р-ра) = m (раств. в-ва) + m (растворителя)

или

m (р-ра) = p (р-ра)· V (р-ра)

Состав раствора , выраженный через массовую долю растворенного вещества (в % ), называется процентной концентрацией этого раствора.

Состав растворов жидкостей в жидкостях (например, спирта в воде, ацетона в воде) удобнее выражать в объемных долях:

W об % (раств. ж) = V (раств.ж) · V (р-ра) ·100% ;

где

V (р-ра) = m (р-ра) /p (р-ра)

или приближенно

V (р-ра) ≈ V (H2O) + V (раств. ж)

Например, содержание спирта в винно-водочных изделиях указывают не в массовых, а в объемных долях (% ) и называют эту цифру крепостью напитка.

Состав растворов твердых веществ в жидкостях или газов в жидкостях в объемных долях не выражают.

Химическая формула, как отображение химического состава

Качественный и количественный состав вещества отображают с помощью химической формулы . К примеру, карбонат кальция имеет химическую формулу «CaCO 3 » . Из этой записи можно почерпнуть следующую информацию:

• Количество молекул – 1 .
• Количество вещества – 1 моль .
• Качественный состав (какие химические элементы образуют вещество) – кальций, углерод, кислород.
• Количественный состав вещества:

1. Число атомов каждого элемента в одной молекуле вещества: молекула карбоната кальция состоит из 1 атома кальция , 1 атома углерода и 3 атомов кислорода .
2. Число молей каждого элемента в 1 моле вещества: В 1 моль СаСО 3 (6,02 ·10 23 молекулах) содержится 1 моль (6,02 ·10 23 атомов) кальция , 1 моль (6,02 ·10 23 атомов) углерода и 3 моль (3·6,02·10 23 атомов) химического элемента кислорода )

• Массовый состав вещества:

1. Масса каждого элемента в 1 моле вещества: 1 моль карбоната кальция (100г) содержит химических элементов: 40г кальция , 12г углерода , 48г кислорода .
2. Массовые доли химических элементов в веществе (состав вещества в процентах по массе):

W (Ca) = (n (Ca) ·Ar (Ca))/Mr (CaCO3) = (1·40)/100= 0,4 (40%)

W (C) = (n (Ca) ·Ar (Ca))/Mr (CaCO3) = (1·12)/100= 0,12 (12%)

W (О) = (n (Ca) ·Ar (Ca))/Mr (CaCO3) = (3·16)/100= 0,48 (48%)

• Для вещества с ионной структурой (соли, кислоты, основания) – формула вещества дает информацию о числе ионов каждого вида в молекуле, их количестве и массе ионов в 1 моль вещества :

1. Молекула СаСО 3 состоит из иона Са 2+ и иона СО 3 2-
2. 1 моль (6,02·10 23 молекул) СаСО 3 содержит 1 моль ионов Са 2+ и 1 моль ионов СО 3 2- ;
3. 1 моль (100г) карбоната кальция содержит 40г ионов Са 2+ и 60г ионов СО 3 2- ;

Список литературы:

Все простые вещества в неорганической химии делятся на две большие группы: Металлы - Неметаллы.

Металл (название происходит от лат. metallum - шахта) - один из классов элементов, которые в отличие от неметаллов (и металлоидов), обладают характерными металлическими свойствами. Металлами являются большинство химических элементов (примерно 70 %). Самым распространённым металлом в земной коре является алюминий.

Характерные свойства металлов: - металлический блеск (кроме йода. Несмотря на свой металлический блеск, кристаллический йод относится к неметаллам); - хорошая электропроводность; - возможность лёгкой механической обработки (например, пластичность); - высокая плотность; - высокая температура плавления (искл. ртуть и др.); - большая теплопроводность; - в реакциях являются восстановителями.

Все металлы (кроме ртути) тверды при нормальных условиях. Температуры плавления лежат в диапазоне от −39 °C (ртуть) до 3410 °C (вольфрам). В зависимости от их плотности, металлы делят на лёгкие (плотность 0,53 ÷ 5 г/см³) и тяжёлые (5 ÷ 22,5 г/см³).

На внешнем электронном слое у большинства металлов небольшое количество электронов (1-3), поэтому они в большинстве реакций выступают как восстановители (то есть «отдают» свои электроны).

С кислородом реагируют все металлы, кроме золота, платины. Реакция с серебром происходит при высоких температурах, но оксид серебра(II) практически не образуется, т.к. он термически неустойчив. В зависимости от металла на выходе могут оказаться оксиды, пероксиды, надпероксиды: 2Li + O2 = 2Li2O оксид лития; 2Na + O2 = Na2O2 пероксид натрия; K + O2 = KO2 надпероксид калия. Чтобы получить из пероксида оксид, пероксид восстанавливают металлом: Na2O2 + 2Na = 2Na2O. Со среднмими и малоактивными металлами реакция происходит при нагревании: 3Fe + 2O2 = Fe3O4; 2Hg + O2 = 2HgO; 2Cu + O2 = 2CuO.

С азотом реагируют только самые активные металлы, при комнатной температуре взаимодействует только литий: 6Li + N2 = 2Li3N. При нагревании: 2AL + N2 = 2AlN; 3Ca + N2 = 2Ca3N2.

С серой реагируют все металлы, кроме золота и платины.

Неметаллы. Элементы с типично неметаллическими свойствами занимают правый верхний угол Периодической системы. Расположение их в главных подгруппах соответствующих периодов следующее:

2-й период
3-й период
4-й период
5-й период
6-й период

Характерной особенностью неметаллов является большее (по сравнению с металлами) число электронов на внешнем энергетическом уровне их атомов. Это определяет их большую способность к присоединению дополнительных электронов и проявлению более высокой окислительной активности, чем у металлов.

Неметаллы имеют высокие значения сродства к электрону, большую электроотрицательность и высокий окислительно-восстановительный потенциал.

Благодаря высоким значениям энергии ионизации неметаллов их атомы могут образовывать ковалентные химические связи с атомами других неметаллов и амфотерных элементов. В отличие от преимущественно ионной природы строения соединений типичных металлов, простые неметаллические вещества, а также соединения неметаллов имеют ковалентную природу строения.

В свободном виде могут быть газообразные неметаллические простые вещества - фтор, хлор, кислород, азот, водород, твёрдые - иод, астат, сера, селен, теллур, фосфор, мышьяк, углерод, кремний, бор, при комнатной температуре в жидком состоянии существует бром.

Все сложные вещества (то есть, состоящие из двух и более химических элементов) делятся на следующие группы:

Оксиды - Соли - Основания - Кислоты

Оксид (окисел, окись) - соединение химического элемента с кислородом, в котором сам кислород связан только с менее электроотрицательным элементом. Не считая фтора, кислород - самый электроотрицательный химический элемент, поэтому к оксидам относятся почти все соединения химических элементов с кислородом. К исключениям относятся, например, дифторид кислорода OF2.

Оксиды - весьма распространенный тип соединений, содержащихся в земной коре и во вселенной вообще. Примерами таких соединений являются ржавчина, вода, песок, углекислый газ, ряд красителей. Окислами называется класс минералов, представляющих собой соединения металла с кислородом.

Соединения, содержащие атомы кислорода, соединённые между собой, называются пероксидами (перекисями) и супероксидами. Они не относятся к категории оксидов.

В зависимости от химических свойств различают: солеобразующие оксиды; основные оксиды (например, оксид натрия Na2O, оксид меди(II) CuO); кислотные оксиды (например, оксид серы(VI) SO3, оксид азота(IV) NO2); амфотерные оксиды (например, оксид цинка ZnO, оксид алюминия Al2О3); несолеобразующие оксиды (например, оксид углерода(II) СО, оксид азота(I) N2O, оксид азота(II) NO).

Соли - класс химических соединений, кристаллические вещества, по внешнему виду похожие на обычную поваренную соль.

Соли имеют ионную структуру. При растворении (диссоциации) в водных растворах соли дают положительно заряженные ионы металлов и отрицательно заряженные ионы кислотных остатков (иногда также ионы водорода или гидроксогруппы). В зависимости от соотношения количеств кислоты и основания в реакциях нейтрализации могут образоваться различные по составу соли.

Типы солей:

Средние (нормальные) соли - все атомы водорода в молекулах кислот замещены на атомы металла. Пример: Na2CO3, K3PO4;

Кислые соли - атомы водорода в молекулах кислоты замещены атомами металла частично. Получаются они при нейтрализации основания избытком кислоты. Пример: NaHCO3, K2HPO4;

Основные соли - гидроксогруппы основания (OH-) частично заменены кислотными остатками. Получаются при избытке основания. Пример: Mg(OH)Cl;

Двойные соли - образуются при замещении атомов водорода в кислоте атомами двух разных металлов. Пример: CaCO3·MgCO3, Na2KPO4;

Смешанные соли - в их составе один катион и два аниона. Пример: Ca(OCl)Cl;

Гидратные соли (кристаллогидраты) - в их состав входят молекулы кристаллизационной воды. Пример: CuSO4·5H2O;

Комплексные соли - особый класс солей. Это сложные вещества, в структуре которых выделяют координационную сферу, состоящую их комплексообразователя (центральной частицы) и окружающих его лигандов. Пример: K2, Cl3, (NO3)2;

Особую группу составляют соли органических кислот, свойства которых значительно отличаются от свойств минеральных солей.

Основания - (основные гидроксиды) - класс химических соединений, вещества, молекулы которых состоят из ионов металлов или иона аммония и одной (или нескольких) гидроксогруппы (гидроксида) -OH. В водном растворе диссоциируют с образованием катионов и анионов ОН-. Название основания обычно состоит из двух слов: «гидроксид металла/аммония». Хорошо растворимые в воде основания называются щелочами.

Согласно другому определению, основания - один из основных классов химических соединений, вещества, молекулы которых являются акцепторами протонов. В органической химии по традиции основаниями называют также вещества, способные давать аддукты («соли») с сильными кислотами, например, многие алкалоиды описывают как в форме «алкалоид-основание», так и в виде «солей алкалоидов».

Классификация оснований: растворимые в воде основания (щёлочи): LiOH, NaOH, KOH, Ca(OH)2; практически нерастворимые в воде гидрооксиды: Mg(OH)2, Zn(OH)2, Cu(OH)2, Al(OH)3, Fe(OH)3; другие основания: NH3 × H2O.

Химические свойства:

1. Действие на индикаторы: лакмус - синий, метилоранж - жёлтый, фенолфталеин - малиновый,

2. Основание + кислота = Соли + вода NaOH + HCl = NaCl + H2O

3. Щёлочь + кислотный оксид = соли + вода 2NaOH + SiO2 = Na2SiO3 + H2O

4. Щёлочь + соли = (новое)основание + (новая) соль Ba(OH)2 + Na2SO4 = BaSO4&darr + 2NaOH

Кислоты - один из основных классов химических соединений. Они получили своё название из-за кислого вкуса большинства кислот, таких, как азотная или серная. По определению кислота - это протолит (вещество, участвующее в реакциях с переходом протона), отдающий протон в реакции с основанием, то есть веществом, принимающим протон. В свете теории электролитической диссоциации кислота - это электролит, при электролитической диссоциации из катионов образуются лишь катионы водорода.

Классификация кислот:

По основности - количество атомов водорода: одноосновные (HPO3), двухосновные (H2SeO4, Азелаиновая кислота), трёхосновные (H3PO4);

По силе: сильные (диссоциируют практически полностью, константы диссоциации больше 1·10-3 (HNO3)) и слабые (константа диссоциации меньше 1·10-3 (уксусная кислота Kд= 1,7·10-5));

По устойчивости: устойчивые (H2SO4) и неустойчивые (H2CO3);

По принадлежности к классам химических соединений: неорганические (HBr), органические (HCOOH);

По летучести: летучие (H2S) и нелетучие;

По растворимости: растворимые (H2SiO3) и нерастворимые.

Все вещества делятся на простые и сложные.

Простые вещества - это вещества, которые состоят из атомов одного элемента.

В некоторых простых веществах атомы одного элемента соединяются друг с другом и образуют молекулы. Такие простые вещества имеют молекулярное строение . К ним относятся: , . Все эти вещества состоят из двухатомных молекул. (Обратите внимание, что названия простых веществ совпадают с названиями элементов!)

Другие простые вещества имеют атомное строение , т. е. состоят из атомов, между которыми существуют определенные связи. Примерами таких простых веществ являются все ( , и т. д.) и некоторые ( , и др.). Не только названия, но и формулы этих простых веществ совпадают с символами элементов.

Существует также группа простых веществ, которые называются . К ним относятся: гелий Не, неон Ne, аргон Аr, криптон Kr, ксенон Хе, радон Rn. Эти простые вещества состоят из не связанных друг с другом атомов.

Каждый элемент образует как минимум одно простое вещество. Некоторые элементы могут образовывать не одно, а два или несколько простых веществ. Это явление называется аллотропией.

Аллотропия - это явление образования нескольких простых веществ одним элементом.

Разные простые вещества, которые образуются одним и тем же химическим элементом, называются аллотропными видоизменениями (модификациями).

Аллотропные модификации могут отличаться друг от друга составом молекул. Например, элемент кислород образует два простых вещества. Одно из них состоит из двухатомных молекул О 2 и имеет такое же название, как и элемент- . Другое простое вещество состоит из трехатомных молекул О 3 и имеет собственное название - озон.

Кислород О 2 и озон О 3 имеют различные физические и химические свойства.

Аллотропные модификации могут представлять собой твердые вещества, которые имеют различное строение кристаллов. Примером являются аллотропные модификации углерода С - алмаз и графит.

Число известных простых веществ (примерно 400) значительно больше, чем число химических элементов, так как многие элементы могут образовывать две или несколько аллотропных модификаций.

Сложные вещества - это вещества, которые состоят из атомов разных элементов.

Примеры сложных веществ: НCl, Н 2 O, NaCl, СО 2 , H 2 SO 4 и т. д.

Сложные вещества часто называют химическими соединениями. В химических соединениях свойства простых веществ, из которых образуются эти соединения, не сохраняются. Свойства сложного вещества отличаются от свойств простых веществ, из которых оно образуется.

Например, хлорид натрия NaCl может образоваться из простых веществ - металлического натрия Na и газообразного хлора Сl Физические и химические свойства NaCl отличаются от свойств Na и Cl 2 .

В природе, как правило, встречаются не чистые вещества, а смеси веществ. В практической деятельности мы также обычно используем смеси веществ. Любая смесь состоит из двух или большего числа веществ, которые называются компонентами смеси .

Например, воздух представляет собой смесь нескольких газообразных веществ: кислорода О 2 (21 % по объему), (78%), и др. Смесями являются растворы многих веществ, сплавы некоторых металлов и т. д.

Смеси веществ бывают гомогенными (однородными) и гетерогенными (неоднородными).

Гомогенные смеси - это смеси, в которых между компонентами нет поверхности раздела.

Гомогенными являются смеси газов (в частности, воздух), жидкие растворы (например, раствор сахара в воде).

Гетерогенные смеси - это смеси, в которых компоненты разделяются поверхностью раздела.

К гетерогенным относятся смеси твердых веществ (песок + порошок мела), смеси нерастворимых друг в друге жидкостей (вода + масло), смеси жидкостей и нерастворимых в нем твердых веществ (вода + мел).

Важнейшие отличия смесей от химических соединений:

1. В смесях свойства отдельных веществ (компонентов) сохраняются.
2. Состав смесей не является постоянным.

Классификация веществ Все вещества можно разделить на простые состоящие из атомов одного элемента и сложные – состоящие из атомов различных элементов. Простые вещества делятся на металлы и неметаллы: Металлы – s и d элементы. Неметаллы – p элементы. Сложные вещества делятся на органические и неорганические.

Свойства металлов определяются способностью атомов отдавать свои электроны. Характерный тип химической связи для металлов – металлическая связь. Она характеризуется такими физическими свойствами: ковкость, тягучесть, теплопроводность, электропроводность. При комнатных условиях все металлы кроме ртути находятся в твердом состоянии.

Свойства неметаллов определяются способностью атомов легко принимать электроны и плохо отдавать свои. Неметаллы обладают противоположными металлам физическими свойствами: их кристаллы хрупкие, отсутствует «металлический» блеск, низкие значения теплои электропроводности. Часть неметаллов при комнатных условиях газообразна.

Классификация органических соединений. По строению углеродного скелета: Насыщенные/ненасыщенные Линейные/разветвленные/циклические По наличию функциональных групп: Спирты Кислоты Простые и сложные эфиры Углеводы Альдегиды и кетоны

Оксиды – сложные вещества, молекулы которых состоят из двух элементов, один из которых – кислород в степени окисления -2. Оксиды делятся на солеобразующие и несолеобразующие(безразличные). Солеобразующие оксиды делятся на основные, кислотные и амфотерные.

Основные оксиды – это оксиды, образующие в реакциях с кислотами или кислотными оксидами соли. Основные оксиды образуются металлами с невысокой степенью окисления (+1, +2) – это элементы 1 й и 2 й групп периодической таблицы. Примеры основных оксидов: Na 2 O, Ca. O, Mg. O, Cu. O. Примеры реакций образования солей: Cu. O + 2 HCl Cu. Cl 2 + H 2 O, Mg. O + CO 2 Mg. CO 3.

Основные оксиды Оксиды щелочных и щелочноземельных металлов реагируют с водой, образуя основания: Na 2 O + H 2 O 2 Na. OH Ca. O + H 2 O Ca(OH)2 Оксиды других металлов с водой не реагируют, соответствующие основания получаются косвенным путем.

Кислотные оксиды – это оксиды, образующие в реакциях с основаниями или с основными оксидами соли. Кислотные оксиды образуются элементами – неметаллами и d – элементами в высоких степенях окисления (+5, +6, +7). Примеры кислотных оксидов: N 2 O 5, SO 3, CO 2, Cr. O 3, V 2 O 5. Примеры реакций кислотных оксидов: SO 3 + 2 KOH K 2 SO 4 + H 2 O Ca. O + CO 2 Ca. CO 3

Кислотные оксиды Часть кислотных оксидов реагирует с водой с образованием соответствующих кислот: SO 3 + H 2 O H 2 SO 4 N 2 O 5 + H 2 O 2 HNO 3 Другие кислотные оксиды напрямую с водой не реагируют (Si. O 2 , Te. O 3 , Mo. O 3 , WO 3), соответствующие кислоты получаются косвенным путем. Один из способов получения кислотных оксидов – отнятие воды от соответствующих кислот. Поэтому кислотные оксиды иногда называются «ангидридами» .

Амфотерные оксиды обладают свойствами и кислотных и основных оксидов. С сильными кислотами такие оксиды реагируют как основные, а с сильными основаниями как кислотные: Sn. O + H 2 SO 4 Sn. SO 4 + H 2 O Sn. O + 2 KOH + H 2 O K 2

Способы получения оксидов Окисление простых веществ: 4 Fe + 3 O 2 2 Fe 2 O 3, S + O 2 SO 2. Горение сложных веществ: CH 4 + 2 O 2 CO 2 + 2 H 2 O, 2 SO 2 + O 2 2 SO 3. Термическое разложение солей, оснований и кислот. Примеры соответственно: Ca. CO 3 Ca. O + CO 2, Cd(OH)2 Cd. O + H 2 O, H 2 SO 4 SO 3 + H 2 O.

Номенклатура оксидов Название оксида строится по формуле «оксид + название элемента в родительном падеже» . Если элемент образует несколько оксидов, то после названия в скобках указывают степень окисления элемента. Например: CO – оксид углерода (II), CO 2 – оксид углерода (IV), Na 2 O – оксид натрия. Иногда вместо степени окисления в названии указывается число атомов кислорода: монооксид, диоксид, триокид и т. д.

Гидроксиды – соединения, содержащие в своем составе гидроксогруппу (-OH). В зависимости от прочности связей в ряду Э-O-H гидроксиды делятся на кислоты и основания: У кислот самая слабая связь O-H, поэтому при их диссоциации образуется Э-О- и H+. У оснований самая слабая связь Э-О, поэтому при диссоциации образуются Э+ и OH-. У амфотерных гидроксидов может быть разорвана любая из этих двух связей, в зависимости от природы вещества, с которым реагирует гидроксид.

Кислоты Термин «кислота» в рамках теории электролитической диссоциации имеет следующее определение: Кислоты – это вещества, диссоциирующие в растворах с образованием катионов водорода и анионов кислотного остатка. HA H++AКислоты делятся на сильные и слабые (по способности к диссоциации), на одно-, двух-, и трехосновные (по количеству содержащихся атомов водорода) и на кислородсодержащие и бескислородные. Например: H 2 SO 4 – сильная, двухосновная, кислородсодержащая.

Химические свойства кислот 1. Взаимодействие с основаниями с образованием соли и воды (реакция нейтрализации): H 2 SO 4 + Cu (OH)2 Cu. SO 4 + 2 H 2 O. 2. Взаимодействие с основными и амфотерными оксидами с образованием солей и воды: 2 HNO 3 + Mg. O Mg(NO 3)2 + H 2 O, H 2 SO 4 + Zn. O Zn. SO 4 + H 2 O.

Химические свойства кислот 3. Взаимодействие с металлами. Металлы, стоящие в “Ряду напряжений” до водорода, вытесняют водород из растворов кислот (кроме азотной и концентрированной серной кислот); при этом образуется соль: Zn + 2 HCl Zn. Cl 2 + H 2 Металлы, находящиеся в “Ряду напряжений” после водорода, водород из растворов кислот не вытесняют Cu + 2 HCl ≠.

Химические свойства кислот 4. Некоторые кислоты при нагревании разлагаются: H 2 Si. O 3 H 2 O + Si. O 2 5. Менее летучие кислоты вытесняют более летучие кислоты из их солей: H 2 SO 4 конц + Na. Clтв Na. HSO 4 + HCl 6. Более сильные кислоты вытесняют менее сильные кислоты из растворов их солей: 2 HCl + Na 2 CO 3 2 Na. Cl + H 2 O + CO 2

Номенклатура кислот Названия бескислородных кислот составляют, добавляя к корню русского названия кислотообразующего элемента (или к названию группы атомов, например, CN – циан, CNS – родан) суффикс «-о-» , окончание «водородная» и слово «кислота» . Например: HCl – хлороводородная кислота H 2 S – сероводородная кислота HCN – циановодородная кислота

Номенклатура кислот Названия кислородсодержащих кислот образуются по формуле «название элемента» + «окончание» + «кислота» . Окончание меняется в зависимости от степени окисления кислотообразующего элемента. Окончания «–овая» / «-ная» используются для высших степеней окисления. HCl. O 4 – хлорная кислота. Затем используются окончание «–оватая» . HCl. O 3 – хлорноватая кислота. Затем используется окончание «–истая» . HCl. O 2 – хлористая кислота. Наконец, последнее окончание «-оватистая» HCl. O – хлорноватистая кислота.

Номенклатура кислот Если элемент образует всего две кислородсодержащие кислоты (например сера), то для высшей степени окисления используется окончание «–овая» / «- ная» , а для более низкой окончание «-истая» . Пример для кислот серы: H 2 SO 4 – серная кислота H 2 SO 3 – сернистая кислота

Номенклатура кислот Если один кислотный оксид присоединяет различное количество молекул воды при образовании кислоты, то кислота, содержащая большее количество воды обозначается приставкой «орто-» , а меньшее «мета-» . P 2 O 5 + H 2 O 2 HPO 3 - метафосфорная кислота P 2 O 5 + 3 H 2 O 2 H 3 PO 4 - ортофосфорная кислота.

Основания Термин «основание» в рамках теории электролитической диссоциации имеет следующее определение: Основаниями – это вещества, диссоциирующие в растворах с образованием гидроксид - ионов (OH‾) и ионов металлов. Основания классифицируются на слабые и сильные(по способности к диссоциации), на одно-, двух-, трехкислотные (по количеству гидроксогрупп, которые могут заместиться на кислотный остаток) на растворимые (щелочи) и нерастворимые(по способности растворяться в воде). Например, KOH – сильное, однокислотное, растворимое.

Химические свойства оснований 1. Взаимодействие с кислотами: Ca(OH)2 + H 2 SO 4 Ca. SO 4 + H 2 O 2. Взаимодействие с кислотными оксидами: Ca(OH)2 + CO 2 Ca. CO 3 + H 2 O 3. Взаимодействие с амфотерными оксидами: 2 KOH + Sn. O + H 2 O K 2

Химические свойства оснований 4. Взаимодействие с амфотерными основаниями: 2 Na. OH + Zn(OH)2 Na 2 5. Термическое разложение оснований с образованием оксидов и воды: Ca(OH)2 Ca. O + H 2 O. Гидроксиды щелочных металлов при нагревании не распадаются. 6. Взаимодействие с амфотерными металлами (Zn, Al, Pb, Sn, Be): Zn + 2 Na. OH + 2 H 2 O Na 2 + H 2

Номенклатура оснований Название основания образуется по формуле «гидроксид» + «название металла в родительном падеже» . Если элемент образует несколько гидроксидов, то в скобках указывается его степень окисления. Например Cr(OH)2 – гидроксид хрома (II), Cr(OH)3 – гидроксид хрома (III). Иногда в названии приставкой к слову «гидроксид» указывается количество гидроксогрупп – моногидроксид, дигидроксид, тригидроксид, и т. д.

Соли Термин «основание» в рамках теории электролитической диссоциации имеет следующее определение: Соли - это вещества, диссоциирующие в растворах или в расплавах с образованием положительно заряженных ионов, отличных от ионов водорода, и отрицательно заряженных ионов, отличных от гидроксид – ионов. Соли рассматриваются как продукт частичного или полного замещения атомов водорода на атомы металла или гидроксогрупп на кислотный остаток. Если замещение происходит полностью, то образуется нормальная (средняя) соль. Если замещение происходит частично, то такие соли называются кислыми(имеются атомы водорода), либо основными (имеются гидроксогруппы).

Химические свойства солей 1. Соли вступают в реакции ионного обмена, если при этом образуется осадок, слабый электролит или выделяется газ: с щелочами реагируют соли, катионам металлов которых соответствуют нерастворимые основания: Cu. SO 4 + 2 Na. OH Na 2 SO 4 + Cu (OH)2↓ с кислотами взаимодействуют соли: а) катионы которых образуют с анионом новой кислоты нерастворимую соль: Ba. Cl 2 + H 2 SO 4 Ba. SO 4↓ + 2 HCl б) анионы которой отвечают неустойчивой угольной или какойлибо летучей кислоте (в последнем случае реакция проводится между твердой солью и концентрированной кислотой): Na 2 CO 3 + 2 HCl 2 Na. Cl + H 2 O + CO 2, Na. Clтв + H 2 SO 4 конц Na. HSO 4 + HCl;

Химические свойства солей в) анионы которой отвечают малорастворимой кислоте: Na 2 Si. O 3 + 2 HCl H 2 Si. O 3↓ + 2 Na. Cl г) анионы которой отвечают слабой кислоте: 2 CH 3 COONa + H 2 SO 4 Na 2 SO 4 + 2 CH 3 COOH 2. cоли взаимодействуют между собой, если одна из образующихся новых солей нерастворима или разлагается (полностью гидролизуется) с выделением газа или осадка: Ag. NO 3 + Na. Cl Na. NO 3+ Ag. Cl↓ 2 Al. Cl 3 + 3 Na 2 CO 3 + 3 H 2 O 2 Al (OH)3↓ + 6 Na. Cl + 3 CO 2

Химические свойства солей 3. Соли могут вступать во взаимодействие с металлами, если металл, которому соответствует катион соли, находится в“Ряду напряжений “правее реагирующего свободного металла (более активный металл вытесняет менее активный металл из раствора его соли): Zn + Cu. SO 4 Zn. SO 4 + Cu 4. Некоторые соли разлагаются при нагревании: Ca. CO 3 Ca. O + CO 2 5. Некоторые соли способны реагировать с водой и образовывать кристаллогидраты: Cu. SO 4 + 5 H 2 O Cu. SO 4*5 H 2 O

Химические свойства солей 6. Соли подвергаются гидролизу. Подробно этот процесс будет рассмотрен в дальнейших лекциях. 7. Химические свойства кислых и основных солей отличаются от свойств средних солей тем, что кислые соли вступают также во все реакции, характерные для кислот, а основные соли вступают во все реакции, характерные для оснований. Например: Na. HSO 4 + Na. OH Na 2 SO 4 + H 2 O, Mg. OHCl + HCl Mg. Cl 2 + H 2 O.

Получение солей 1. Взаимодействие основного оксида с кислотой: Cu. O + H 2 SO 4 Cu. SO 4 + H 2 O 2. Взаимодействие металла с солью другого металла: Mg + Zn. Cl 2 Mg. Cl 2 + Zn 3. Взаимодействие металла с кислотой: Mg + 2 HCl Mg. Cl 2 + H 2 4. Взаимодействие основания с кислотным оксидом: Ca(OH)2 + CO 2 Ca. CO 3 + H 2 O 5. Взаимодействие основания с кислотой: Fe(OH)3 + 3 HCl Fe. Cl 3 + 3 H 2 O

Получение солей 6. Взаимодействие соли с основанием: Fe. Cl 2 + 2 KOH Fe(OH)2 + 2 KCl 7. Взаимодействие двух солей: Ba(NO 3)2 + K 2 SO 4 Ba. SO 4 + 2 KNO 3 8. Взаимодействие металла с неметаллом: 2 K + S K 2 S 9. Взаимодействие кислоты с солью: Ca. CO 3 + 2 HCl Ca. Cl 2 + H 2 O + CO 2 10. Взаимодействие кислотного и основного оксидов: Ca. O + CO 2 Ca. CO 3

Номенклатура солей Название средней соли формируется по следующему правилу: «название кислотного остатка в именительном падеже» + «название металла в родительном падеже» . Если металл может входить в состав соли в нескольких степенях окисления, то степень окисления указывается в скобках после названия соли.

Названия кислотных остатков. Для бескислородных кислот название кислотного остатка состоит из корня латинского названия элемента и окончания «ид» . Например: Na 2 S- сульфид натрия, Na. Cl – хлорид натрия. Для кислородсодержащих кислот название остатка состоит из корня латинского названия и нескольких вариантов окончаний.

Названия кислотных остатков. Для кислотного остатка с элементов в высшей степени окисления используется окончание «ат» . Na 2 SO 4 – сульфат натрия. Для кислотного остатка с меньшей степенью окисления (-истая кислота) используется окончание «-ит» . Na 2 SO 3 – сульфит натрия. Для кислотного остатка с еще меньшей степенью окисления (-оватистая кислота) используется приставка «гиппо-» и окончание «-ит» . Na. Cl. O – гиппохлорит натрия.

Названия кислотных остатков. Некоторые кислотные остатки называются историческими названиями Na. Cl. O 4 – перхлорат натрия. К названию кислых солей добавляется приставка «гидро» , и перед ней еще одна приставка, указывающая на число незамещенных (оставшихся) атомов водорода. Например, Na. H 2 PO 4 – дигидроортофосфат натрия. Аналогично к названию металла основных солей добавляется приставка «гидроксо-» . Например, Cr(OH)2 NO 3 – нитрат дигидроксохрома (III).

Названия и формулы кислот и их остатков Формула кислоты Кислотный остаток Название кислотного остатка 2 3 4 Азотная HNO 3 ‾ нитрат Азотистая HNO 2 ‾ нитрит Бромоводородная HBr Br ‾ бромид Йодоводородная HI I‾ йодид Кремниевая H 2 Si. O 32¯ силикат Марганцовая HMn. O 4¯ перманганат Марганцовистая H 2 Mn. O 42¯ манганат Метафосфорная HPO 3¯ H 3 As. O 43¯ Название кислоты 1 Мышьяковая метафосфат арсенат

Формула кислоты Мышьяковистая H 3 As. O 3 Ортофосфорная H 3 PO 4 Название кислоты Пирофосфорная H 4 P 2 O 7 Двухромовая Родановодородная Сернистая Фосфористая Фтороводородная (плавиковая) Хлороводородная (соляная) Хлорная Хлорноватая Хлористая Хлорноватистая Хромовая Циановодородная (синильная) H 2 Cr 2 O 7 HCNS H 2 SO 4 H 2 SO 3 H 3 PO 3 Кислотный Название кислотного остаток остатка As. O 33¯ арсенит PO 43¯ ортофосфат (фосфат) пирофосфат P 2 O 7 4 ¯ (дифосфат) Cr 2 O 72¯ дихромат CNS¯ роданид SO 42¯ сульфат SO 32¯ сульфит PO 33¯ фосфит HF F¯ HCl. O 4 HCl. O 3 HCl. O 2 HCl. O H 2 Cr. O 4 Cl¯ Cl. O 4¯ Cl. O 3¯ Cl. O 2¯ Cl. O¯ Cr. O 42¯ HCN CN¯ фторид хлорид перхлорат хлорит гипохлорит хромат цианид

Для химического соединения характерны следующие отличительные особенности:

1) Кристаллическая решетка отличается от решеток компонентов, образующих соединение.

2) В соединении всегда сохраняется простое кратное соотношение его компонентов. Это позволяет выразить их состав простой формулой A m B n , где А и В – соответствующие элементы, n и m – простые числа.

3) Свойства соединения резко отличаются от свойств образующих его компонентов.

4) Температура плавления (диссоциации) постоянная.

5) Образование химического соединения сопровождается значительным тепловым эффектом.

Химические соединения образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решеток.

В качестве примера типичных химических соединений можно назвать такие, как соединения магния с элементами IV-VI групп периодической системы: Mg 2 Sn, Mg 2 Pb, Mg 2 P, Mg 3 Sb, MgS и другие.

Соединения одних металлов с другими носят общее название интерметаллических соединений, или интерметаллидов.

Соединения металла с неметаллом (нитриды, оксиды, карбиды и др.) могут иметь как металлическую, так и ионную связь. Соединения, имеющие металлическую связь, называют металлическими соединениями.

Большое число химических соединений, образующихся в металлических сплавах, отличается от типичных химических соединений, так как не подчиняется законам валентности и не имеет постоянного состава. Рассмотрим наиболее важные химические соединения, образующиеся в сплавах.

7.2.1.Фазы внедрения . Переходные металлы (Fe, Mn, Cr, Mo и др.) образуют с углеродом, азотом, бором и водородом, т.е. с элементами, имеющими малый атомный радиус, соединения: карбиды, нитриды, бориды и гидриды. Они имеют общность строения и свойств и часто называются фазами внедрения.

Фазы внедрения имеют формулу М 4 Х (Fe 4 N, Mn 4 N и др.), M 2 X (W 2 C, Fe 2 N и др.), MX (WC, TiC,TiN и др.).

Кристаллическая структура фаз внедрения определяется соотношением атомных радиусов неметалла (R x) и металла (R M). Если R x / R M <59, то атомы в этих фазах расположены по типу одной из кристаллических решеток: кубической или гексагональной, в которую внедряются атомы неметалла, занимая в ней определенные поры.

Фазы внедрения являются фазами переменного состава. Карбиды и Нитриды обладают высокой твердостью. Кристаллическая решетка фаз внедрения отличается от решетки металла.

7.2.2. Электронные соединения (фазы Юм-Розери). Эти соединения чаще образуются между одновалентными (Cu, Ag, Au, Li, Na) металлами или металлами переходных групп (Fe, Mn, Co и др.), с одной стороны, и с простыми металлами с валентностью от 2 до 5 (Be,

Mg, Zn, Cd, Al и др.), с другой стороны. Соединения этого типа имеют определенное соотношение числа валентных электронов к числу атомов, т.е. определенную электронную концентрацию. Эти соотношения, как показал английский металлофизик Юм-Розери, могут быть 3/2, 21/13 и 7/4, причем каждому соотношению соответствует определенная кристаллическая решетка: объемно центрированная кубическая или гексагональная решетка, сложная кубическая решетка и гранецентрированная кубическая решетка, соответственно.

7.2.3.Фазы Лавеса . Эти фазы имеют формулу АВ 2 и образуются между элементами, атомные диаметры которых находятся примерно в соотношении 1: 1,2. Например, MgZn 2 , TiCr 2 и др. Фазы Лавеса встречаются как упрочняющие интерметаллиды в жаропрочных сплавах.

Твердые растворы

Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других (или другого) компонентов располагаются в решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры. Таким образом, твердый раствор, состоящий из нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу. Кроме того, твердый раствор существует не при определенном соотношении компонентов (как в химическом соединении), а в интервале концентраций.

Различают твердые растворы .

При образовании твердых растворов замещения атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решетке (рис.26, б ).

При образовании твердого раствора внедрения (рис.26, в ) атомы растворенного компонента располагаются в межузлиях (пустотах) кристаллической решетки растворителя.

Рис.26. Кристаллическая решетка ОЦК: а - чистый металл, б - твердый раствор замещения, в - твердый раствор внедрения; А - атомы основного металла, В – атомы замещения, С – атомы внедрения.

Металлы могут в той или иной степени взаимно растворяться друг в друге в твердом состоянии, образуя твердые растворы замещения с ограниченной или неограниченной растворимостью. Твердые растворы с неограниченной растворимостью образуются при следующих условиях:

1) Компоненты должны обладать одинаковыми по типу (изоморфными) кристаллическими решетками.

2) Различие в атомных размерах компонентов должно быть незначительным и не превышать 10-15%.

3) Компоненты должны принадлежать к одной и той же (или родственной) группе периодической системы элементов.

В некоторых сплавах (например, Cu-Au, Fe-Al), образующих при высоких температурах растворы замещения (с неупорядоченным чередованием атомов компонентов), при медленном охлаждении или длительном нагреве при определенных температурах протекает процесс перераспределения атомов. Твердые растворы, устойчивые при сравнительно низких температурах, получили название упорядоченных твердых растворов, или сверхструктур . Упорядоченные твердые растворы можно рассматривать как промежуточные фазы между твердыми растворами и химическими соединениями. В отличие от химических соединений кристаллическая решетка упорядоченных твердых растворов представляет собой решетку растворителя. Образование упорядоченных твердых растворов сопровождается изменением физических и механических свойств. Прочность обычно возрастает, а пластичность падает.

Способность к образованию твердых растворов присуща не только чистым элементам, но и химическим соединениям. В этих случаях сохраняется кристаллическая решетка химического соединения, но избыточное количество атомов одного из компонентов может заменять какое-то количество атомов другого компонента. Кроме того, при этом в отдельных узлах могут появляться незанятые места – пустоты. Твердые растворы на базе химических соединений, образование которых сопровождается появлением пустых мест в узлах решетки, называются растворами вычитания.

РЕЗЮМЕ

Под сплавом подразумевают вещество, полученное сплавлением двух или более элементов.

Совокупность фаз, находящихся в состоянии равновесия, называют системой . Фазой называют однородные составные части системы, имеющие одинаковый состав, кристаллическое строение и свойства, одно и то же агрегатное состояние и отделенные от составных частей поверхности раздела. Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения фаз в металлах и сплавах. Компоненты в сплаве могут образовывать механические смеси, химические соединения или твердые растворы.

Механическая смесь двух компонентов образуется тогда, когда они не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения.

Химические соединения образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решеток. Строение и свойства химического соединения отличаются от строения и свойств создавших его компонентов.

Наиболее важные химические соединения, образующиеся в сплавах:

Фазы внедрения

Электронные соединения (фазы Юм-Розери)

Фазы Лавеса

Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других (или другого) компонентов располагаются в решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры.

Различают твердые растворы замещения, внедрения и вычитания .

Вопросы для повторения

1. Что такое сплав?

2. Дать определение терминам «фаза», «система», «структура».

3. Когда в сплаве образуется механическая смесь компонентов, а когда - химическое соединение?

4. Что такое твердые растворы? Какие виды твердых растворов Вы знаете?

8. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния сплава. Диаграммы состояния строят для условий равновесия или условий, достаточно близких к ним. Поэтому диаграмма состояния может также называться диаграммой равновесия.

Равновесное состояние соответствует минимальному значению свободной энергии. Этого состояния можно достичь при отсутствии перегрева или переохлаждения сплава. Диаграмма состояния представляет собой теоретический случай, т.к. равновесные превращения (без переохлаждения или перегрева) на практике не могут совершать-

ся. Обычно на практике используются превращения, происходящие при малых скоростях нагрева или охлаждения.

Общие закономерности сосуществования устойчивых фаз могут быть выражены в математической форме в виде правила фаз или закона Гиббса.

Правило фаз дает количественную зависимость между степенью свободы системы и количеством фаз компонентов.

Под числом степеней свободы (вариантностью) системы понимают число внешних и внутренних факторов (температура, давление, концентрация), которое можно изменять без изменения числа фаз в системе.

Правило фаз .

С= k - f + 2

С - число степеней свободы, k - число компонентов, f – число фаз, 2 – число внешних факторов.

Правило фаз справедливо только для равновесного состояния.

Независимыми переменными в уравнении правила фаз являются концентрация, температура и давление. Если принять, что все превращения в металле происходят при постоянном давлении, то число переменных уменьшится на единицу.

С= k - f + 1

Пример. Посмотрим, как изменяется степень свободы однокомпонентной системы (k=1 ) для случая кристаллизации чистого металла. Когда металл находится в жидком состоянии, т.е. f =1 (одна фаза - жидкость), число степеней свободы равно 1. Температура в данном случае может изменяться, не изменяя агрегатного состояния. В момент кристаллизации f =2 (две фазы – твердая и жидкая), С=0 . Это значит, что две фазы находятся в равновесии при строго определенной температуре (температура плавления), и она не может быть изменена до тех пор, пока одна фаза не исчезнет, т.е. система не станет моновариантной (C=1 ).