Соединения химических элементов

1. Степень окисления
2. Оксиды
   • Основные оксиды
   • Кислотные оксиды
   • Амфотерные оксиды
3. Основания
4. Кислоты и их реакции
5. Соли
   • Соли и их классификация
   • Получение солей
   • Соли и их реакции
6. Аморфные и кристаллические вещества
7. Чистые вещества и смеси. Состав смесей.

Давайте узнаем, какие в природе встречаются химические вещества. Вещества бывают простые и сложные. Простые - это металлы, неметаллы и инертные газы. Сложные - это оксиды, основания, амфотерные гидроксиды, кислоты и соли.

Рассмотрим каждый из этих видов веществ. Но первым делом разберемся, что такое степень окисления химических элементов.

Степень окисления

Рассмотрим частный случай окислительно-восстановительной реакции. Таковой является реакция лития с кислородом.

4⁰Li + ⁰O₂ = 2⁺¹Li₂^-2O

Изначально и у лития и кислорода степени окисления были равны нулю. Это означает, что все электроны находились при них. При взаимодействии элементов, ввиду того, что кислород более электроотрицательный, он притягивает на себя электроны лития и поэтому становится отрицательным. Литий же отдает электроны.

Процесс передачи электронов другому атому в соединении называется окислением. Процесс взятия электрон называется восстановлением.

Атом вещества, который притягивает на себя электроны, является окислителем, а атом вещества, который отдает электроны, называется восстановителем.

Назовем несколько правил окислительно-восстановительных реакций:

• В одном соединении сумма степеней окисления элементов, которые входят в это соединение, должно равняться нулю;
• Сумма степеней окисления элементов будет равняться нулю даже в соединениях неполярной связью;
• Химические элементы главной подгруппы имеют максимальную степень окисления, равную номеру группы;
• Степень окисления самого электроотрицательного атома фтора (F) во всех соединениях будет равна –1;
• Кислород (O), в основном, во всех соединениях проявляет степень окисления равную –2, кроме случаев взаимодействия с фтором или в пероксидах (–1);
• Водород (H) проявляет степень окисления +1, а при взаимодействии с металлами степень окисления равна –1.

Оксиды

Оксиды делятся на солеобразующие и несолеобразующие (оксид углерода (CO), оксид кремния (SiO₂) и два оксида азота (NO и N₂O)).

Солеобразующие оксиды делятся на кислотные, основные и амфотерные.

Основные оксиды

Основными оксидами называются вещества, гидраты которых будут основаниями.

Например, оксид натрия (Na₂O) соответствует основанию NaOH, которое будет являться щелочью.

Название оксидов складывается из трех составляющих. Первое слово оксид, затем следует элемент, из которого он состоит, и его валентность:

Оксид углерода(2)

Разберем химические свойствах основных оксидов:

• Способность основного оксида реагировать с кислотами с образованием соли и воды

MgO + 2HCl = MgCl₂ + H₂O

• Способность реагировать с кислотными оксидами с образованием соли

CaO + CO₂ = CaCO₃

• Способность основных оксидов взаимодействовать с водой с образованием щелочи

K₂O + H₂O = 2KOH

Кислотные оксиды

Кислотный оксид - это оксид гидроксид, гидрат которого соответствует кислоте. Например, оксид серы(6) SO3 соответствует серной кислоте (H2SO4).

Химические свойства кислотных оксидов:

• Способность реагировать с основными оксидами

CaO + CO₂ = CaCO₃

• Способность реагировать с основаниями с образованием соли и воды

CO₂ + NaOH = Na₂CO₃ + H₂O

• Способность  реагировать с водой с образованием своей кислоты

SO₃ + H₂O = H₂SO₄

Амфотерные оксиды

Почему оксиды называются амфотерными?

Амфотерный значит двойственный. Это значит, что при добавлении воды амфотерный оксид может быть как основанием, так и кислотой.

Оксидов амфотерных металлов не так уж и много.

Например, ZnO, Al₂O₃, Cr₂O₃ Fe₂O₃ PbO₂, SnO₂.

Мы сразу же можем сделать вывод, что, если при взаимодействии с водой амфотерный оксид может стать и основанием и кислотой, значит, для него будут характерны как свойства основных оксидов, так и свойства кислотных. Эти свойства мы уже перечисляли в предыдущих разделах статьи.

Основания

Одной частью основания является металл, а другой - остаток гидроксильной группы (OH) с валентностью 1.

Гидроксиды делятся на 1-кислотные (NaOH), 2-кислотные (Ca(OH)₂) и 3-кислотные (Ni(OH)₃).

Свойства оснований:

• Основания изменяют цвет индикаторов. Лакмус сам по себе фиолетовый, а при добавлении его в щелочь или щелочную среду, он меняет цвет на синий. Фенолфталеин в щелочной среде изменяет цвет с бесцветного на ярко-малиновый. Оранжевый метилоранж при добавлении в щелочь становится желтым.
• Основания реагируют с кислотами, а в результате реакции образуется соль и вода.

KOH + HCL = KCl + H2O

• Основания реагируют с кислотными оксидами.

2KOH + CO₂ = K₂CO₃ + H₂O

• Основания реагируют с солью только в том случае, если в результате будет образовываться осадок. Это может быть либо осадок соли, либо осадок основания. Какое-то из двух результирующих веществ должно быть нерастворимым.
• При воздействии температуры основания разлагаются на оксид, который соответствует этому основанию, и воду.

Cu(OH)₂ =^T CuO + H₂O

Кислоты и их реакции

Для начала разберёмся, какой индикатор реагирует на кислоты, и какой именно цвет получается в итоге при взаимодействии.

Лакмус при добавлении в кислоту меняет свой цвет на красный. Метилоранж при действии кислой среды также становится красным. Бесцветный фенолфталеин в кислотной среде не меняет свой цвет.

Свойства кислот:

• Кислоты реагируют с основаниями с образованием соли и воды. Это мы можем видеть в реакции фосфорной кислоты с гидроксидом натрия:

H₃PO₄ + 3NaOH = Na₃PO₄ + H₂O

• Кислоты взаимодействуют с основными оксидами. При этом также получается соль и вода. Примером взаимодействия может служить реакция соляной кислоты с оксида кальция. В итоге получается хлорид кальция и вода:

2HCl + CaO = CaCl₂ + H₂O

• Кислоты также взаимодействуют с амфотерными оксидами и гидроксидами.

HNO₃ + ZnO = Zn(NO₃)₂ + H₂O

• Кислоты также могут реагировать с солями, но при этом нужно быть осторожнее и внимательнее. Эта реакция будет проходить, только в том случае, если в результате образуется либо нерастворимая соль, которая выпадет в осадок, либо образуется слабая кислота, например, уксусная кислота.

HCl + AgNO₃ = AgCl(осадок) + HNO₃

• Кислоты реагируют с металлами. Тут также нужно быть осторожным. Существует электрохимический ряд металлов. Они все расположены по их или химическим свойствам. Соляная кислота, разбавленная серная кислота и другие будут вступать в реакцию с металлами только в том случае, если в этом ряду они находятся левее водорода. Концентрированные азотная и серная кислоты взаимодействуют с металлами по-другому.
• При взаимодействии кислоты и активного металла образуется соль и вода.

Соли

Соли и их классификация

Мы добрались до последнего класса сложных соединений, это соли. Соли делятся по своим особенностям на кислые, средние и основные.

Средние соли получаются путем замещения атомов водорода в кислоте на атомы металлов.

K₂SO₄

Таким же образом получаются и другие виды солей.

Кислые соли получаются путем замещения атомов водорода на атомы металлов, но атомы водорода замещаются не полностью. Соответственно, от того, сколько атомов водорода осталось, и выбирается приставка в названии соли (гидро- или дигидро-).

NaHSO₄ (Гидросульфат натрия)

Основные соли получаются путем присоединения кислотных остатков вместо гидроксильных групп. Гидроксильные группы замещаются не полностью.

(CaOH)Cl (Гидроксохлорид кальция)

Получение солей

Соль может получаться при взаимодействии металлов с неметаллами, при взаимодействии кислотных и основных оксидов, кислотных оксидов с основаниями, кислот с металлами, оксидов с кислотами, кислот с основаниями.

При взаимодействии кислот с солями в результате может получиться соль, если кислота будет менее активная, либо появится нерастворимая соль.

Взаимодействие металлов с солью будет давать в результате соль, если металл в соли менее активен.

Также соль может получиться в результате реакции соли с основанием, если выделится остаток в виде нерастворимой соли или основания.

Также возможно реакция двух солей с образованием также двух других солей, если одна из них нерастворимая.

Соли и их реакции

Если взять растворимую соль, то в водном растворе она будет диссоциировать на ионы. Если взять среднюю соль, она будет диссоциировать на катион металла (положительный) и кислотный анион.

Если это будет соль кислая, то она будет диссоциировать на катион металла и сложныйд анион. Если же это будет соль основная, то она будет диссоциировать на сложный катион и обычные кислотный анион.

Реакция соли с металлом будет проходить только в том случае, если реагирующий металл будет находиться в электрохимическом ряду металлов левее того, который находятся в соли. Он должен быть активнее, чтобы вытеснить металл из соли.

Также соли реагируют с щелочами. Здесь тоже нужно сделать оговорку. Эта реакция пойдёт только в том случае, если будут образовываться либо нерастворимая соль (осадок), либо нерастворимое основание.

Соли реагируют с кислотами при условии, что образуется либо более слабая кислота, либо нерастворимая соль.

Реакция взаимодействия солей друг с другом происходит только в том случае, если будет образовываться осадок.

Соли могут разлагаться при нагревании. При этом будут образовываться кислотные и основные оксиды. Например, реакция разложения карбоната магния под действием температуры приводит к образованию оксида магния и углекислого.

MgCO3 =T MgO + CO2

Основные соли могут реагировать с кислотами. При этом у них должны быть одинаковые кислотные остатки. В результате образуется средняя соль и вода.

По аналогии кислотные соли могут с реагировать с основаниями, имеющими тот же металл, с образованием средней соли и воды.

Аморфные и кристаллические вещества

Что означает слово «аморфное вещество»? Это значит вещество, не имеющие конкретной структуры и формы.

У кристаллических веществ, напротив, есть и форма и структура.

В основном представителями кристаллических веществ являются металлы, которых есть кристаллическая решетка. В кристаллической решётке атомы находятся в определенном порядке.

У аморфных веществ их атомы находятся в беспорядочном положении.

Кристаллические вещества имеют строго определенную температуру плавления. Это объясняется тем, что атомы в кристаллической решётке не могут свободно двигаться, они находятся на определёнными месте. При нагревании расстояние между атомами расширяется, и при достижении определённой температуры кристаллическая решётка начинает разрушаться и соединение приобретает жидкое агрегатное состояние.

У аморфных веществ при нагревании плавление происходит постепенно, то есть сначала плавятся участки, которые прилегают ближе всего к высокой температуре, а затем далее.

Давайте разберём на примерах, какая кристаллическая решётка будет прочнее. Возьмем две соли натрий йод и калий йод. Кислотные остатки у них одинаковые (йодиды), различаются только металлы.

По таблице Менделеева мы знаем, что радиус атома натрия имеет меньший радиус, чем у атома калия. Соответственно, расстояние между натрием и йодом будет меньше, чем расстояние между калием и йодом. Поэтому притягиваться они будут сильнее, и кристаллическая решётка будет плотнее.

NaI > KI

Возьмем еще два соединения фторид натрия и йодид натрия. Здесь уже металлы одинаковые, но различаются кислотные остатки. Также по таблице Менделеева мы обнаруживаем, что у фтора радиус атома меньше, соответственно фторид натрия будет иметь более прочную решётку.

NaF > NaI

Также давайте рассмотрим две соли фторид кальция и хлорид калия.

У кальция и калия радиусы примерно одинаковые, но заряд у кальция +2, в отличие от калия. То есть кальций будет более сильным катионом. Радиус атома фтора меньше, чем у хлора. Следовательно решетка у первого соединения будет прочнее.

CaF₂ > KCl

Чистые вещества и смеси. Состав смесей.

Все вещества в природе делятся на простые и сложные.

Отличие их заключается в том, что простые вещества состоят из одного элемента, а сложные из нескольких.

У простых веществ, несмотря на кажущуюся простоту, также есть свои особенности и деление на виды. Как они образуются? Два атома одного вещества могут соединяться, образуя молекулы. Так образуются хлор, кислород, водород. Такие простые вещества имеют молекулярное строение, и название этих молекул будет совпадать с названием атомов с индексом (по количеству атомов).

Помимо молекулярного строения, также в природе встречается и атомное строение веществ, например, кристаллические решётки. Огромное количество атомов вещества связаны друг с другом и располагаются в вершинах этой решетки.

Существует у простых веществ такое явление или свойство как аллотропия. Аллотропия - это способность атомов одного вещества образовывать разные простые вещества.

Например, атом кислорода может образовывать вещество кислород (О2) или озон (О3).

Углерод, например, может быть в виде алмаза или графита.

Сложные вещества состоят из нескольких атомов. Атому, входящие в сложные вещества имеют совершено другие химические и физические свойства, нежели те, которые находятся в свободном состоянии.

Например, соль натрий хлор (NaCl) состоит из двух атомов твердого металлического натрия и газообразного хлора. При их взаимодействии образуется сложное вещество хлорид натрия, которое имеет вид порошка (поваренная соль).

В природе редко встречаются вещества по отдельности. Обычно, вещества входят в состав смесей. Например, воздух. Он состоит в основном из азота, кислорода и углекислого газа.

Смеси бывают гомогенные и гетерогенные. В гомогенных смесях не существует раздела сред, например, когда мы растворяем сахар в чае. Также хорошим примером гомогенных смесей является воздух.

В гетерогенных смесях наоборот, явно видна граница раздела сред, и мы можем четко отделить одно вещество от другого. Например, мы можем четко выделить частички песка из смеси его с солью.

Существует три способа разделения гетерогенных смесей:

• фильтрование - смесь проходит через какой-либо сорбент (фильтровальная бумага, фильтры с разным размером ячеек)
• отстаивание - разные вещества имеют разную скорость отстаивания
• магнитная сепарация - разные вещества имеют разные магнитные свойства

Для разделения гомогенных смесей также существует несколько способов, но они несколько сложнее предыдущих:

• выпаривание - выделение вещества из раствора при нагревании и выделении осадка
• дистилляция или перегонка - отделение испарившегося вещества из раствора при нагревании и помещение его в другую емкость одновременно с охлаждением
• хроматография - у разных веществ отличается скорость распределения по фильтрующему материалу