Н.П.Танцура

Периодическая система: некоторые теоретические сведения

Главными характеристиками вещества являются его кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства. Именно они определяют, с какими веществами в окружающей среде, химической или биохимической системе, технологической установке будет реагировать рассматриваемое вещество. В пособии уделено большое внимание рассмотрению кислотно-основных свойств веществ и закономерностям их изменения в периодической системе.

В периодической системы (ПС) можно выделить два полюса свойств элементов: металлические и неметаллические. К металлам относят элементы, атомы которых могут только отдавать электроны в химических процессах. При этом степень окисления металлов в образующихся соединениях положительна (+). Неметаллы - это вещества, атомы которых способны как присоединять, так и отдавать электроны, поэтому степени окисления у них могут быть положительными и отрицательными по знаку.

В восьми групповой периодической системе типичные металлы находятся в ее левой части, а неметаллы - в правой верхней части. При этом нарастание металлических свойств по главным подгруппам усиливается сверху вниз, так что самые активные металлы находятся в левом нижнем углу ПС(цезий,франций), а самые типичные неметаллы- в правом верхнем углу ПС (самый активный из них фтор – в переводе с греческого «разрушающий», атом этого элемента может только принимать электрон). Перечислим типичные неметаллы: H , B , C , N , O , F , Si , P , S , Cl , Br , I .

Большинство элементов в ПС (начиная главным образом с IV группы) имеет несколько степеней окисления в соединениях, правила определения максимальных и минимальных значений степеней окисления приведены ниже. Ограниченное количество элементов имеют одну степень окисления в соединениях, наиболее распространенные из них следующие: щелочные металлы и Ag- +1; Be, Mg, Ca, Ba, Sr, Zn, Cd, Hg- +2, Al, Ga - +3

Зная положение элементов IV – VIII групп в ПС, можно указать некоторые степени окисления, которые они могут проявлять в соединениях:

максимальная степень окисления любого элемента (+) =№ группы (у некоторых элементов, например, Fe, Co, Ni , соединения с такими степенями окисления не существуют). Укажем для примера максимальные степени окисления некоторых элементов: N (азот) – V группа (+5); Сr(хром) – VI группа (+6); Cl и Mn –VII группа (+7). Формулы соответствующих оксидов: N 2 O 5 , CrO 3 , Cl 2 O 7 , Mn 2 O 7 .

Минимальная степень окисления для металлов и неметаллов определяется следующим образом:

минимальная степень окисления металла (+) = +1, +2 (IV - VIII группа).

минимальная степень окисления неметалла (-) = № группы-8 (все неметаллы – р-элементы и разность представляет собой число электронов, необходимое для завершения внешнего энергетического уровня атома неметалла). Например, у таких металлов, как хром Cr (VI группа) и Mn (VII группа) минимальные степени окисления составляют +2 и им соответствуют оксиды CrO (неустойчив) и МnO. У неметаллов V группы (N и Р) минимальная степень окисления составляет « -3» (NH 3 , РН 3). Неметаллы VII группы, например хлор Cl, имеет наименьшую степень окисления равную -1 (HCl).

Контрольное задание 1:

Укажите максимальную и минимальную степень окисления для следующих элементов: S, W, P, Pb. Запишите формулы соответствующих оксидов.

Укажите атомы неметаллов в периодической системе.

Определите степени окисления элементов в следующих соединениях:

Сr 2 O 3 , NO 2 , Bi 2 O 5 , K 2 O, Fe 2 O 3 .

Номенклатура неорганических соединений

Международный союз по теоретической и прикладной химии сформулировал общие правила для формирования названий химических соединений – так называемая систематическая международная номенклатура. Она является наиболее строгой, достаточно простой и универсальной; название неорганических соединений строится по следующим правилам:

Если соединение состоит только из двух элементов, то первый называют по - русски (на национальном языке страны), указывая приставками (ди, три, тетра и т.д.) число его атомов. Второй элемент называют по латыни с суффиксом -ид (и соответствующими количественными приставками): например: NaCl - натрий хлорид, BaO - барий оксид, BN –бор нитрид, GaAs – галлий арсенид, N 2 O –диазот оксид, СеO 2 - церий диоксид, S 2 O 3 -дисера триоксид. Аналогично называют гидроксиды металлов: Сa(OH) 2 –кальций дигидроксид (ион ОН - называют в неорганической химии гидроксид-ионом).

Если соединение состоит из трех и более элементов (например, кислородные кислоты, некоторые соли), то кислотный остаток называют справа налево, указывая количество атомов кислорода – оксо, диоксо, триоксо и т.д., а затем по латыни элемент с суффиксом -ат (в скобках записывают римскими цифрами его степень окисления (при условии, элемент имеет несколько значений степеней окисления в соединениях), например:

SiO 3 2- - триоксосиликат ион (метасиликат-ион – полусистематическая номенклатура,

использование которой допустимо);

Na 2 SiO 3 - динатрий триоксосиликат или динатрий метасиликат;

PO 4 3- -тетраоксофосфат(V) или ортофосфат- ион;

АLPO 4 –алюминий тетраоксофосфат(V) , или алюминий ортофосфат;

СО 3 2- - триоксокарбонат-ион (карбонат- ион);

СaCO 3 кальций триоксокарбонат, кальций карбонат;

РО 3 - –триоксофосфат (V) - ион или метафосфосфат- ион;

Zn(PO 3) 2 – цинк триоксофосфат(V) или цинк метафосфат.

В настоящее время в России наиболее широко распространена полусистематическая номенклатура (сведения о систематической общепринятой в мире номенклатуре в школьную программу до сих пор не входят). В технической, особенно старой литературе, часто встречается русская номенклатура, которая уже отменена, кроме того, некоторые соединения имеют тривиальные названия. В качестве примера ниже приведена таблица с названиями различных неорганических соединений.

Абитуриентам, поступившим в высшие учебные заведения необходимо так же знать групповые названия элементов:

щелочные металлы (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr); щелочно-земельные металлы (Ca, Sr, Ba, Ra); переходные элементы 3d- ряда (3d-элементы)- Sc……Zn; лантаноиды (редкоземельные элементы) – Сe ……Lu; актиноиды (трансурановые элементы) – Th………Lr ; платиноиды (элементы группы платины)- Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt; халькогены – O, S, Se, Te; галогены – F, Cl, Br, I, At

Химическая номенклатура

соединения систематическая полусисте- русская тривиальная матическая

НСl водород хлорид хлорид водорода хлористый соляная кислота

водород (водный раствор)

Н 2 SO 4 диводород серная кислота - -

тетраоксосульфат(VI) кислота

HNO 3 водород азотная - -

триоксонитрат (V) кислота

NaOH натрий гидроксид гидроокись едкий

гидроксид натрия натрия натр

Ca(OH) 2 кальций гидроксид гидроокись известковая

дигидроксид кальция кальция вода

NaHS натрий гидросульфид кислый -

водородсульфид натрия сернистый натрий

ZnOHCl цинк хлорид основной -

гидроксид гидроксоцинка хлористый цинк -

CaHPO 4 кальций водород гидрофосфат кислый -

тетраоксофосфат(V) кальция двузамещенный

ортофосфорнокислый кальций

PH 3 фосфор гидрид - фосфин

тригидрид фосфора(III)

АlOHSO 3 алюминий сульфит основной -

гидроксид гидроксоалюминия двузамещенный

триоксосульфат(IV) сернистокислый

алюминий

Классификация неорганических соединений

Все неорганические соединения могут быть разделены на четыре основных класса: оксиды, гидроксиды, бескислородные кислоты и соли. Общая схема такой классификации представлена на рис 1. Эта классификация не является полной, так как в нее не входят различные менее часто встречающиеся бинарные (состоящие из двух элементов) соединения

(например, аммиак-NH 3 , сероуглерод –CS 2 и пр.) за исключением широко распространенного класса бинарных соединений- оксидов.

Оксиды + n -2

Соединения элементов с кислородом вида Э 2 О n называются оксидами (степень окисления атома О в оксидах равна «-2»). Систематическая номенклатура оксидов: на первом месте указывают название элемента в именительном падеже с соответствующими греческими количественными приставками, далее - слово «оксид» также с соответствующими количественными приставками, например:SiO 2 - кремний диоксид,Fe 2 O 3 - дижелезо триоксид,P 2 O 5 - дифосфор пентоксид. Полусистематическая номенклатура: на первом месте записывают слово «оксид», за которым следует название элемента в родительном падеже с указанием римскими цифрами в скобках его степени окисления, например:

Fe 2 O 3 – оксид железа (III);

FeO- оксид железа (II)

P 2 O 3 - оксид фосфора (III);

P 2 O 5 - оксид фосфора (V).

Na 2 O – оксид натрия (натрий имеет только одно значение степени окисления в соединениях, в таких случаях ее не указывают).

Устаревшая русская номенклатура в названиях оксидов оперировала словом «окись» с указанием количества атомов кислорода на один атом элемента, например: N 2 O - полуокись азота, Fe 2 O 3 - полутороокись железа, CO 2 - двуокись углерода. Следует отметить, что в русской номенклатуре оксид элемента с низшей степенью окисления часто называли закисью элемента, а оксид того же элемента с высшей степенью окисления- окисью, например: Сu 2 0- закись меди, CuO- окись меди.

Существуют соединения элементов с кислородом, которые не проявляют свойств оксидов (в этих соединениях атом кислорода имеет степень окисления, которая не равна «-2»). Например, Н 2 О 2 -1 - пероксид водорода (перокись водорода), проявляет свойства слабой кислоты,

Na 2 O 2 -1 - пероксид натрия – соль.

Основные способы получения оксидов

1.Прямое взаимодействие элементов или сложных веществ с кислородом (как правило,окисление происходит при высоких температурах - горение):

2 Mg + O 2 = 2 MgO

УФ или катализатор

2 SO 2 + O 2 = 2 SO 3

СН 4 + 2 О 2 = 2 Н 2 О + СО 2

2.Разложение некоторых солей, оснований и кислот:

CaCO 3 = CaO + CO 2

Mg(OH) 2 = MgO + H 2 O

H 2 CO 3 = CO 2 + H 2 O

2 CuSO 4 = 2 CuO + 2 SO 2 + O 2

3.Образование оксидов некоторых неметаллов при взаимодействии азотной и серной кислоты с металлами и неметаллами:

С + 2 H 2 SO 4 к = CO 2 + 2 SO 2 + 2 H 2 O

Cu + 4 HNO 3 к = Cu(NO 3) 2 + 2 NO 2 + 2 H 2 O

4. Взаимодействие солей неустойчивых кислот (H 2 CO 3 , H 2 SО 4) c сильными кислотами или солей неустойчивых оснований со щелочами:

K 2 CO 3 + 2 HCl = 2 KCl + H 2 O + CO 2

2 AgNO 3 + 2 NaOH = Ag 2 O + H 2 O + 2 NaNO 3

Все оксиды подразделяют на соле- и несолеобразующие или безразличные оксиды (общая схема классификации оксидов приведена на схеме 2). Солеобразующие оксиды могут образовывать соли при многочисленных химических реакциях,например:

СаО + СО 2 = СаСО 3

Солеобразующим оксидам соответствуют гидроксиды, которые образуются при прямом взаимодействии оксидов с водой и их получают косвенным путем, например:

СаО + Н 2 О = Са(ОН) 2

Na 2 O + H 2 O = 2NaOH

Al 2 O 3 + H 2 O ≠

Al 2 O 3 + 6 HCl = 2 AlCl 3 + 3 H 2 O

AlCl 3 +3 NaOH =Al(OH) 3  + 3 NaCl (косвенное получение Al(OH) 3)

SO 3 + H 2 O = H 2 SО 4

SiO 2 + H 2 O ≠

SiO 2 + 2 NaOH = Na 2 SiO 3 + H 2 O

Na 2 SiO 3 + 2 HCl = 2 NaCl + H 2 SiO 3 (косвенное получение H 2 SiO 3)

Солеобразующие оксиды подразделяют по свойствам на три группы: основные (ударение на втором слоге), кислотные и амфотерные.

Основные оксиды – это оксиды металлов с низкими степенями окисления, главным образом, +1,+2 (кроме некоторых амфотерных, например, ZnO, BeO и некоторые другие). К ним следует в первую очередь отнести оксиды щелочных и щелочноземельных металлов, а также оксиды других металлов с низкими степенями окисления (CuO, NiO, CoO, FeO, и т.д.). Следует отметить, что непосредственно взаимодействуют с водой оксиды наиболее активных металлов, а именно, щелочных и щелочноземельных (см. выше).

Доказательством основных свойств оксидов являются реакции:

КИСЛОТА

ОСНОВНОЙ ОКСИД + или ===> СОЛЬ + (Н 2 О)

КИСЛОТНЫЙ

ОКСИД

Например, FeO + 2 HCl = FeCl 2 + H 2 O

Na 2 O + CO 2 = Na 2 CO 3

Кислотные оксиды (ангидриды кислот) характерны для неметаллов (см. перечень выше) с любой степенью окисления и металлов с высокими степенями окисления (от +5 до +8), например, СО 2 , SO 2 , N 2 O 5 , P 2 O 5 , Mn 2 O 7 , CrO 3 , RuO 4 .

Такие оксиды при прямом взаимодействии с водой или с помощью косвенных реакций образуют соответствующие кислородные кислоты. Следует отметить, что непосредственно взаимодействуют с водой почти все оксиды неметаллов, например, газообразные -SO 2 , SO 3 , CO 2, твердые - N 2 O 5 , P 2 O 3 и P 2 O 5 и жидкие (Cl 2 O 7). Не растворяются в воде два оксида неметалла – B 2 O 3 и SiO 2 . Многие оксиды металлов в высших степенях окислениz растворяются в воде, например, CrO 3 , некоторые из них неустойчивы (Mn 2 O 7).

Однако независимо от растворимости оксидов в воде легко формально вывести формулу кислоты, соответствующей данному оксиду:

+ H 2 O + H 2 O

H 2 CrO 4 H 2 B 2 O 4 => HBO 2 (кратные индексы у всех атомов сокращаем).

Приведенные записи не являются химическими реакциями, они представляют собой формальный вывод формулы кислоты, которую желательно знать, т.к. в реакциях солеобразования с участием оксидов, проявляющих кислотные свойства, кислотный остаток соответствующей кислоты входит в состав соли. Приведенный вывод является формальным также по той причине, что многие реакции с участием оксидов протекают в безводной среде, например, в расплаве.

Доказательством кислотных свойств оксидов являются реакции:

ОСНОВАНИЕ

КИСЛОТНЫЙ + или ==> C ОЛЬ + (Н 2 О)

ОКСИД ОСНОВНОЙ

+ H 2 O ОКСИД

к-та (формальный вывод ) , кислотный остаток входит в состав соли.

Например, SO 2 + 2 NaOH = Na 2 SO 3 + H 2 O

Mn 2 O 7 + Ca(OH) 2 = Ca(MnO 4) 2 + H 2 O

+ H 2 O

H 2 Mn 2 O 8  HMnO 4 (формальный вывод), (MnO 4 -1 входит в состав соли).

Амфотерные оксиды проявляют кислотные и основные свойства в зависимости от того, с чем реагируют.

Следует запомнить достаточно часто встречающиеся металлы, оксиды которых обладают ярко выраженными амфотерными свойствами:

Be, Al, Zn, Sn, Pb, Cr (III)….

Этим металлам соответствуют амфотерные оксиды:

BeO, Al 2 O 3 , ZnO, SnO, SnO 2 , PbO, PbO 2 , Cr 2 O 3

Многие металлы характеризуются набором степеней окисления в соединениях (как правило, начиная с IVгр.), при этом, с увеличением степени окисления данного металла в его оксидах и гидроксидах, наблюдается возрастание их кислотных свойств. Например, амфотерные оксиды SnO 2 и PbO 2 обладают более ярко выраженными кислотными свойствами, чем SnO и PbO. У такого важного с технической точки зрения металла, как хром, а так же у многих других металлов существуют оксиды и гидроксиды с различными кислотно-основными свойствами:

CrO Cr 2 O 3 CrO 3

основной амфотерный кислотный

Cr(OH) 2 Cr(OH) 3 H 2 CrO 4

========================================>

кислотные свойства оксидов и гидроксидов возрастают

У всех металлов, для которых существуют подобные ряды оксидов, амфотерными свойствами обладают оксиды и гидроксиды с промежуточными степенями окисления металла. В воде амфотерные оксиды не растворяются.

Доказательством амфотерных свойств оксидов являются, по крайней мере, две противоположные реакции, которые позволяют подтвердить основные и кислотные свойства амфотерного оксида:

КИСЛОТА

или ==========> СОЛЬ + (Н 2 О)

КИСЛОТНЫЙ

АМФОТЕРНЫЙ + ОКСИД

ОКСИД ОСНОВАНИЕ

или ========= C ОЛЬ + (Н 2 О)

ОСНОВНОЙ

ОКСИД

Рассмотрим пример:

ZnO + 2 HCl = ZnCl 2 + H 2 O (1)

основн. св-ва

ZnO + 2 NaOH = Na 2 ZnO 2 + H 2 O (2)

кислот. св-ва

+ H 2 O

H 2 ZnO 2 – цинковая к-та (формальный вывод).

Как будет показано ниже, для растворов реакцию (2) более строго записывают в следующем виде:

ZnO + 2 NaOH + Н 2 О = Na 2 тетрагидроксоцинкат натрия (комплексная соль)

Вывод: амфотерный оксид реагирует со щелочью как кислотный, а с кислотой - как основной, в обоих случаях образуются соли.В том случае, когда амфотерный оксид проявляет основные свойства, металл входит в состав образующейся соли в качестве катиона; при проявлении амфотерным оксидом кислотных свойств, металл входит в состав аниона соли.

БЕЗРАЗЛИЧНЫЕ (НЕСОЛЕОБРАЗУЮЩИЕ) ОКСИДЫ

Число таких оксидов невелико, наиболее распространенные из них следующие: CO, N 2 O, NO, NO 2 .В приведенных выше реакциях солеобразования такие оксиды не участвуют.

ОБОБЩЕНИЕ:

1. Обратим внимание на взаимосвязь кислотно-основных свойств оксидов металлов и неметаллов с величинами их степеней окисления: у неметаллов в оксидах (см. перечень неметаллов выше) возможны следующие значения степеней окисления:

+1 +2 +3 +4 +5 +6 +7

Практически все оксиды неметаллов - кислотные (кроме нескольких безразличных).

Примеры: Cl 2 O, B 2 O 3 , CO 2 , N 2 O 5 , SO 3 , Cl 2 O 7 и т.д.

У металлов могут быть основные, амфотерные и кислотные оксиды и следующие степени окисления металлов в них:

1 +2 +3 +4 +5 +6 +7 +8

________ ____________________

основн. оксиды кислотные оксиды

_______________

амфотерные оксиды

2. Реакции с участием оксидов: при изучении химических свойств оксидов часто возникают проблемы с записью продуктов реакций. В связи с этим рекомендуем внимательно изучить ниже приведенные схемы и выводы из них:

кислотный

основной оксид

оксид + или ==========  соли

амфотерный

оксид

(кислотн. св-ва)

+ Н 2 О

к-та - формальный вывод ф-лы кислоты, кислотный остаток

основной входит в состав полученной соли

кислотный оксид

оксид или ===========  соли

+ Н 2 О амфотерный

ф-ла кислоты оксид (основные св-ва)

(формальный вывод, кислотный остаток входит в состав полученной соли)

Таким образом основные оксиды могут реагировать с кислотными и амфотерными оксидами и гидроксидами, которые проявляют в таких реакциях кислотные свойства. Кислотные оксиды взаимодействуют с основными и амфотерными оксидами и гидроксидами, которые в этом случае проявляют основные свойства. В любом случае рекомендуем формально прибавить к оксиду, проявляющему кислотные свойства, молекулу воды, вывести формулу кислоты, определить вид и заряд кислотного остатка, который войдет в состав соли. Реакции с амфотерными гидроксидами будут приведены ниже. (Следует иметь в виду, что многие реакции с участием оксидов и гидроксидов практически не протекают в водных растворах из-за плохой растворимости веществ, но могут протекать в расплавах при высоких температурах, такие реакции наблюдаются в природных и технологических процессах).

Как следует из выше изложенного материала при изучении реакций с участием оксидов и гидроксидов важно знать их свойства. С учетом п.п. 1 и 2 обобщений можно предложить следующий алгоритм определения свойств оксидов:

1. Оксид Э 2 О n . Э - металл или неметалл (см. перечень стр.). Если Э - неметалл  оксид кислотный (безразличные оксиды необходимо помнить).

2.Э-металл - оксид может быть основным, амфотерным и кислотным. Рекомендуем посмотреть перечень наиболее часто встречающихся амфотерных оксидов (если элемент не входит в приведенный перечень, но возникают сомнения относительно его свойств, можно посмотреть в учебнике степени окисления данного металла в соединениях, при наличии у него трех и более степеней окисления промежуточные оксиды будут амфотерными).

3.Оксид металла – неамфотерный, тогда:

ст.ок. Ме высокие (> +5) ст.ок. Ме невысокие (<+2)

оксид - кислотный; оксид - основной (амфотерные – исключены)

Рассмотрим примеры:

FeO + N 2 O 5 = Fe(NO 3) 2

кислотный

+H 2 O

H 2 N 2 O 6 ==> HNO 3

2 NaOH + CrO 3 = 2 Na 2 CrO 4 + H 2 O

кислотный

+H 2 O

H 2 CrO 4 - хромовая кислота

Ba(OH) 2 + Al 2 O 3 = Ba(AlO 2) 2 + H 2 O

амфот.(кислот.св-ва)

+ H 2 O

H 2 Al 2 O 4 ==> HАlO 2 – метаалюминиевая кислота

Контрольное задание 2:

1. Приведите примеры солеобразующих и несолеобразующих оксидов. В чем состоит различие между ними?

2. Какие оксиды называются основными, кислотными и амфотерными? По каким свойствам оксиды можно отнести к той или иной группе?

3. Дайте названия следующим оксидам, используя все виды номенклатур:

Li 2 O, BeO, FeO, Fe 2 O 3 , MnO, MnO 2 , Mn 2 O 7 , WO 3 , P 2 O 5 , CO, CO 2 .

4. Даны оксиды: оксид кремния (IV), оксид магния, оксид свинца (II) и оксид хрома (VI), оксид хрома (III), оксид олова (IV), оксид бора. Определив свойства оксидов, записать возможные реакции с азотной кислотой HNO 3 и КОН.

5. Дописать реакции: оксид хлора (I) + оксид магния; оксид углерода (IV) + оксид алюминия; гидроксид калия + оксид берилия; гидроксид железа (III) + оксид азота (III); оксид алюминия + оксид натрия;

6. Даны оксиды: оксид серы (IV), оксид магния, оксид цинка и оксид марганца (VII). Какие пары оксидов могут взаимодействовать друг с другом, запишите реакции.

7.Укажите свойства оксидов: MnO, MnO 2 , Mn 2 O 7 , запишите формулы соответствующих им гидроксидов.

8.Приведите примеры химических реакций, доказывающих амфотерный характер оксида хрома (III) 3 .

9.Могут ли взаимодействовать между собой и почему следующие оксиды: ZnO и FeO, Na 2 O и ZnO, N 2 O 5 и MgO, Cl 2 O 7 и СO 2 , P 2 O 5 и K 2 O?. Напишите уравнения возможных реакций.

10.Каким образом, зная химические свойства оксидов, очистить FeO от примесей K 2 O и ZnO (используйте воду, кислоту или щелочь)?

11.Какие из нижеперечисленных оксидов можно растворить в кислотах, а какие – в щелочах: Cs 2 O, CaO, GeO 2 , N 2 O 3 ? Запишите уравнения cоответствующих реакций.

13.У какого оксида сильнее выражены кислотные свойства: SnO 2 или PbO 2 ?

14. Какие из приведенных оксидов растворяются в воде, запишите реакции: оксид бора, оксид алюминия, оксид азота (V), оксид железа (II), оксид серы (IV), оксид калия, оксид магния.

Часть I

1. Степень окисления (с. о.) - это условный заряд атомов химического элемента в сложном веществе, вычисленный на основе предположения, что оно состоит из простых ионов.

Следует знать!

1) В соединениях с. о. водорода = +1, кроме гидридов .
2) В соединениях с. о. кислорода = -2, кроме пероксидов и фторидов
3) Степень окисления металлов всегда положительна.

Для металлов главных подгрупп первых трёх групп с. о. постоянна:
металлы IA группы - с. о. = +1,
металлы IIA группы - с. о. = +2,
металлы IIIA группы - с. о. = +3.
4) У свободных атомов и простых веществ с. о. = 0.
5) Суммарная с. о. всех элементов в соединении = 0.

2. Способ образования названий двухэлементных (бинарных) соединений.

4. Дополните таблицу «Названия и формулы бинарных соединений».

5. Определите степень окисления выделенного шрифтом элемента сложного соединения.

Часть II

1. Определите степени окисления химических элементов в соединениях по их формулам. Запишите названия этих веществ.

2. Разделите вещества FeO, Fe2O3, CaCl2, AlBr3, CuO, K2O, BaCl2, SO3 на две группы. Запишите названия веществ, указав степени окисления.

3. Установите соответствие между названием и степенью окисления атома химического элемента и формулой соединения.

4. Составьте формулы веществ по названию.

5. Сколько молекул содержится в 48 г оксида серы (IV)?

6. С помощью Интернета и других источников информации подготовьте сообщение о применении какого-либо бинарного соединения по следующему плану:
1) формула;
2) название;
3) свойства;
4) применение.

H2O вода, оксид водорода.
Вода при обычных условиях жидкость, без цвета, запаха, в толстом слое – голубая. Температура кипения около 100⁰С. Является хорошим растворителем. Состоит молекула воды из двух атомов водорода и одного атома кислорода, это его качественный и количественный состав. Это сложное вещество, для него характерны следующие химические свойства: взаимодействие со щелочными металлами, щелочноземельными металлами. Реакции обмена с водой называются гидролизом. Эти реакции имеют большое значение в химии.

7. Степень окисления марганца в соединении К2МnO4 равна:
3) +6

8. Наименьшую степень окисления хром имеет в соединении, формула которого:
1) Сг2O3

9. Максимальную степень окисления хлор проявляет в соединении, формула которого:
3) Сl2O7

Валентность является сложным понятием. Этот термин претерпел значительную трансформацию одновременно с развитием теории химической связи. Первоначально валентностью называли способность атома присоединять или замещать определённое число других атомов или атомных групп с образованием химической связи.

Количественной мерой валентности атома элемента считали число атомов водорода или кислорода (данные элементы считали соответственно одно- и двухвалентными), которые элемент присоединяет, образуя гидрид формулы ЭH x или оксид формулы Э n O m .

Так, валентность атома азота в молекуле аммиака NH 3 равна трём, а атома серы в молекуле H 2 S равна двум, поскольку валентность атома водорода равна одному.

В соединениях Na 2 O, BaO, Al 2 O 3 , SiO 2 валентности натрия, бария и кремния соответственно равны 1, 2, 3 и 4.

Понятие о валентности было введено в химию до того, как стало известно строение атома, а именно в 1853 году английским химиком Франклендом. В настоящее время установлено, что валентность элемента тесно связана с числом внешних электронов атомов, поскольку электроны внутренних оболочек атомов не участвуют в образовании химических связей.

В электронной теории ковалентной связи считают, что валентность атома определяется числом его неспаренных электронов в основном или возбуждённом состоянии, участвующих в образовании общих электронных пар с электронами других атомов.

Для некоторых элементов валентность является величиной постоянной. Так, натрий или калий во всех соединениях одновалентны, кальций, магний и цинк - двухвалентны, алюминий - трёхвалентен и т. д. Но большинство химических элементов проявляют переменную валентность, которая зависит от природы элемента - партнёра и условий протекания процесса. Так, железо может образовывать с хлором два соединения - FeCl 2 и FeCl 3 , в которых валентность железа равна соответственно 2 и 3.

Степень окисления - понятие, характеризующее состояние элемента в химическом соединении и его поведение в окислительно-восстановительных реакциях; численно степень окисления равна формальному заряду, который можно приписать элементу, исходя из предположения, что все электроны каждой его связи перешли к более электроотрицательному атому.

Электроотрицательность - мера способности атома к приобретению отрицательного заряда при образовании химической связи или способность атома в молекуле притягивать к себе валентные электроны, участвующие в образовании химической связи. Электроотрицательность не является абсолютной величиной и рассчитывается различными методами. Поэтому приводимые в разных учебниках и справочниках значения электроотрицательности могут отличаться.

В таблице 2 приведена электроотрицательность некоторых химических элементов по шкале Сандерсона, а в таблице 3 - электроотрицательность элементов по шкале Полинга.

Значение электроотрицательности приведено под символом соответствующего элемента. Чем больше численное значение электроотрицательности атома, тем более электроотрицательным является элемент. Наиболее электроотрицательным является атом фтора, наименее электроотрицательным - атом рубидия. В молекуле, образованной атомами двух разных химических элементов, формальный отрицательный заряд будет у атома, численное значение электроотрицательности у которого будет выше. Так, в молекуле диоксида серы SO 2 электроотрицательность атома серы равна 2,5, а значение электроотрицательности атома кислорода больше - 3,5. Следовательно, отрицательный заряд будет на атоме кислорода, а положительный - на атоме серы.

В молекуле аммиака NH 3 значение электроотрицательности атома азота равно 3,0, а водорода - 2,1. Поэтому отрицательный заряд будет у атома азота, а положительный - у атома водорода.

Следует чётко знать общие тенденции изменения электроотрицательности. Поскольку атом любого химического элемента стремится приобрести устойчивую конфигурацию внешнего электронного слоя - октетную оболочку инертного газа, то электроотрицательность элементов в периоде увеличивается, а в группе электроотрицательность в общем случае уменьшается с увеличением атомного номера элемента. Поэтому, например, сера более электроотрицательна по сравнению с фосфором и кремнием, а углерод более электроотрицателен по сравнению с кремнием.

При составлении формул соединений, состоящих из двух неметаллов, более электроотрицательный из них всегда ставят правее: PCl 3 , NO 2 . Из этого правила есть некоторые исторически сложившиеся исключения, например NH 3 , PH 3 и т.д.

Степень окисления обычно обозначают арабской цифрой (со знаком перед цифрой), расположенной над символом элемента, например:

Для определения степени окисления атомов в химических соединениях руководствуются следующими правилами:

1. Степень окисления элементов в простых веществах равна нулю.
2. Алгебраическая сумма степеней окисления атомов в молекуле равна нулю.
3. Кислород в соединениях проявляет главным образом степень окисления, равную –2 (во фториде кислорода OF 2 + 2, в пероксидах металлов типа M 2 O 2 –1).
4. Водород в соединениях проявляет степень окисления + 1, за исключением гидридов активных металлов, например, щелочных или щёлочноземельных, в которых степень окисления водорода равна – 1.
5. У одноатомных ионов степень окисления равна заряду иона, например: K + - +1, Ba 2+ - +2, Br – - –1, S 2– - –2 и т. д.
6. В соединениях с ковалентной полярной связью степень окисления более электроотрицательного атома имеет знак минус, а менее электроотрицательного - знак плюс.
7. В органических соединениях степень окисления водорода равна +1.

Проиллюстрируем вышеприведённые правила несколькими примерами.

Пример 1. Определить степень окисления элементов в оксидах калия K 2 O, селена SeO 3 и железа Fe 3 O 4 .

Оксид калия K 2 O. Алгебраическая сумма степеней окисления атомов в молекуле равна нулю. Степень окисления кислорода в оксидах равна –2. Обозначим степень окисления калия в его оксиде за n, тогда 2n + (–2) = 0 или 2n = 2, отсюда n = +1, т. е. степень окисления калия равна +1.

Оксид селена SeO 3 . Молекула SeO 3 электронейтральна. Суммарный отрицательный заряд трёх атомов кислорода составляет –2 × 3 = –6. Следовательно, чтобы уравнять этот отрицательный заряд до ноля, степень окисления селена должна быть равна +6.

Молекула Fe 3 O 4 электронейтральна. Суммарный отрицательный заряд четырёх атомов кислорода составляет –2 × 4 = –8. Чтобы уравнять этот отрицательный заряд, суммарный положительный заряд на трёх атомах железа должен быть равен +8. Следовательно, на одном атоме железа должен быть заряд 8/3 = +8/3.

Следует подчеркнуть, что степень окисления элемента в соединении может быть дробным числом. Такие дробные степени окисления не имеют смысла при объяснении связи в химическом соединении, но могут быть использованы для составления уравнений окислительно-восстановительных реакций.

Пример 2. Определить степень окисления элементов в соединениях NaClO 3 , K 2 Cr 2 O 7 .

Молекула NaClO 3 электронейтральна. Степень окисления натрия равна +1, степень окисления кислорода равна –2. Обозначим степень окисления хлора за n, тогда +1 + n + 3 × (–2) = 0, или +1 + n – 6 = 0, или n – 5 = 0, отсюда n = +5. Таким образом, степень окисления хлора равна +5.

Молекула K 2 Cr 2 O 7 электронейтральна. Степень окисления калия равна +1, степень окисления кислорода равна –2. Обозначим степень окисления хрома за n, тогда 2 × 1 + 2n + 7 × (–2) = 0, или +2 + 2n – 14 = 0, или 2n – 12 = 0, 2n = 12, отсюда n = +6. Таким образом, степень окисления хрома равна +6.

Пример 3. Определим степени окисления серы в сульфат-ионе SO 4 2– . Ион SO 4 2– имеет заряд –2. Степень окисления кислорода равна –2. Обозначим степень окисления серы за n, тогда n + 4 × (–2) = –2, или n – 8 = –2, или n = –2 – (–8), отсюда n = +6. Таким образом, степень окисления серы равна +6.

Следует помнить, что степень окисления иногда не равна валентности данного элемента.

Например, степени окисления атома азота в молекуле аммиака NH 3 или в молекуле гидразина N 2 H 4 равны –3 и –2 соответственно, тогда как валентность азота в этих соединениях равна трём.

Максимальная положительная степень окисления для элементов главных подгрупп, как правило, равна номеру группы (исключения: кислород, фтор и некоторые другие элементы).

Максимальная отрицательная степень окисления равна 8 - номер группы.

Тренировочные задания

1. В каком соединении степень окисления фосфора равна +5?

1) HPO 3
2) H 3 PO 3
3) Li 3 P
4) AlP

2. В каком соединении степень окисления фосфора равна –3?

1) HPO 3
2) H 3 PO 3
3) Li 3 PO 4
4) AlP

3. В каком соединении степень окисления азота равна +4?

1) HNO 2
2) N 2 O 4
3) N 2 O
4) HNO 3

4. В каком соединении степень окисления азота равна –2?

1) NH 3
2) N 2 H 4
3) N 2 O 5
4) HNO 2

5. В каком соединении степень окисления серы равна +2?

1) Na 2 SO 3
2) SO 2
3) SCl 2
4) H 2 SO 4

6. В каком соединении степень окисления серы равна +6?

1) Na 2 SO 3
2) SO 3
3) SCl 2
4) H 2 SO 3

7. В веществах, формулы которых CrBr 2 , K 2 Cr 2 O 7 , Na 2 CrO 4 , степень окисления хрома соответственно равна

1) +2, +3, +6
2) +3, +6, +6
3) +2, +6, +5
4) +2, +6, +6

8. Минимальная отрицательная степень окисления химического элемента, как правило, равна

1) номеру периода
3) числу электронов, недостающих до завершения внешнего электронного слоя

9. Максимальная положительная степень окисления химических элементов, расположенных в главных подгруппах, как правило, равна

1) номеру периода
2) порядковому номеру химического элемента
3) номеру группы
4) общему числу электронов в элементе

10. Фосфор проявляет максимальную положительную степень окисления в соединении

1) HPO 3
2) H 3 PO 3
3) Na 3 P
4) Ca 3 P 2

11. Фосфор проявляет минимальную степень окисления в соединении

1) HPO 3
2) H 3 PO 3
3) Na 3 PO 4
4) Ca 3 P 2

12. Атомы азота в нитрите аммония, находящиеся в составе катиона и аниона, проявляют степени окисления соответственно

1) –3, +3
2) –3, +5
3) +3, –3
4) +3, +5

13. Валентность и степень окисления кислорода в перекиси водорода соответственно равны

1) II, –2
2) II, –1
3) I, +4
4) III, –2

14. Валентность и степень окисления серы в пирите FeS2 соответственно равны

1) IV, +5
2) II, –1
3) II, +6
4) III, +4

15. Валентность и степень окисления атома азота в бромиде аммония соответственно равны

1) IV, –3
2) III, +3
3) IV, –2
4) III, +4

16. Атом углерода проявляет отрицательную степень окисления в соединении с

1) кислородом
2) натрием
3) фтором
4) хлором

17. Постоянную степень окисления в своих соединениях проявляет

1) стронций
2) железо
3) сера
4) хлор

18. Степень окисления +3 в своих соединениях могут проявлять

1) хлор и фтор
2) фосфор и хлор
3) углерод и сера
4) кислород и водород

19. Степень окисления +4 в своих соединениях могут проявлять

1) углерод и водород
2) углерод и фосфор
3) углерод и кальций
4) азот и сера

20. Степень окисления, равную номеру группы, в своих соединениях проявляет

1) хлор
2) железо
3) кислород
4) фтор

Такой предмет школьной программы как химия вызывает многочисленные затруднения у большинства современных школьников, мало кто может определить степень окисления в соединениях. Наибольшие сложности у школьников, которые изучают то есть учеников основной школы (8-9 классы). Непонимание предмета приводит к возникновению неприязни у школьников к данному предмету.

Педагоги выделяют целый ряд причин такой «нелюбви» учеников средних и старших классов к химии: нежелание разбираться в сложных химических терминах, неумение пользоваться алгоритмами для рассмотрения конкретного процесса, проблемы с математическими знаниями. Министерством образования РФ были внесены серьезные изменение в содержание предмета. К тому же "урезали" и количество часов на преподавание химии. Это негативно сказалось на качестве знаний по предмету, снижению интереса к изучению дисциплины.

Какие темы курса химии даются школьникам труднее всего?

По новой программе в курс учебной дисциплины «Химия» основной школы включено несколько серьезных тем: периодическая таблица элементов Д. И. Менделеева, классы неорганических веществ, ионный обмен. Труднее всего дается восьмиклассникам определение степени окисления оксидов.

Правила расстановки

Прежде всего ученики должны знать, что оксиды являются сложными двухэлементными соединениями, в состав которых включен кислород. Обязательным условием принадлежности бинарного соединения к классу оксидов является расположение кислорода вторым в данном соединении.

Алгоритм для кислотных оксидов

Для начала заметим, что степени численные выражения валентности элементов. Кислотные оксиды образованы неметаллами либо металлами с валентностью от четырех до семи, вторым в таких оксидах обязательно стоит кислород.

В оксидах валентность кислорода всегда соответствует двум, определить ее можно по периодической таблице элементов Д. И. Менделеева. Такой типичный неметалл как кислород, находясь в 6 группе главной подгруппы таблицы Менделеева, принимает два электрона, чтобы полностью завершить свой внешний энергетический уровень. Неметаллы в соединениях с кислородом чаще всего проявляют высшую валентность, которая соответствует номеру самой группы. Важно напомнить, что степень окисления химических элементов это показатель, предполагающий положительное (отрицательное) число.

Неметалл, стоящий в начале формулы, обладает положительной степенью окисления. Неметалл кислород же в оксидах стабилен, его показатель -2. Для того чтобы проверить достоверность расстановки значений в кислотных окислах, придется перемножить все поставленные вами цифры на индексы у конкретного элемента. Расчеты считаются достоверными, если суммарный итог всех плюсов и минусов поставленных степеней получается 0.

Составление двухэлементных формул

Степень окисления атомов элементов дает шанс создавать и записывать соединения из двух элементов. При создании формулы, для начала оба символа прописывают рядом, обязательно вторым ставят кислород. Сверху над каждым из записанных знаков прописывают значения степеней окисления, затем между найденными числами находится то число, что будет без какого-либо остатка делиться на обе цифры. Данный показатель необходимо поделить по отдельности на числовое значение степени окисления, получая индексы для первого и второго компонентов двухэлементного вещества. Высшая степень окисления равна численно значению высшей валентности типичного неметалла, идентична номеру группы, где стоит неметалл в ПС.

Алгоритм постановки числовых значений в основных оксидах

Подобными соединениями считаются оксиды типичных металлов. Они во всех соединениях имеют показатель степени окисления не более +1 либо +2. Для того чтобы понять, какую будет иметь степень окисления металл, можно воспользоваться периодической системой. У металлов основных подгрупп первой группы, данный параметр всегда постоянный, он аналогичен номеру группы, то есть +1.

Металлы основной подгруппы второй группы также характеризуются стабильной степенью окисления, в цифровом выражении +2. Степени окисления оксидов в сумме с учетом их индексов (числа) должны давать нуль, поскольку химическая молекула считается нейтральной, лишенной заряда, частицей.

Расстановка степеней окисления в кислородсодержащих кислотах

Кислоты представляют собой сложные вещества, состоящими из одного или нескольких атомов водорода, которые связаны с каким-то кислотным остатком. Учитывая, что степени окисления это цифровые показатели, для их вычисления потребуются некоторые математические навыки. Такой показатель для водорода (протона) в кислотах всегда стабилен, составляет +1. Далее можно указать степень окисления для отрицательного иона кислорода, она также стабильная, -2.

Лишь только после этих действий, можно вычислять степень окисления у центрального компонента формулы. В качестве конкретного образца рассмотрим определение степени окисления элементов в серной кислоте H2SO4. Учитывая, что в молекуле данного сложного вещества содержится два протона водорода, 4 атома кислорода, получаем выражение такого вида +2+X-8=0. Для того чтобы в сумме образовывался ноль, у серы будет степень окисления +6

Расстановка степеней окисления в солях

Соли представляют собой сложные соединения, состоящие из ионов металла и одного либо нескольких кислотных остатков. Методика определения степеней окисления у каждого из составных частей в сложной соли такая же, как и в кислородсодержащих кислотах. Учитывая, что степень окисления элементов - это цифровой показатель, важно правильно обозначить степень окисления металла.

Если металл, образующий соль, располагается в главной подгруппе, его степень окисления будет стабильной, соответствует номеру группы, является положительной величиной. Если же в соли содержится металл подобной подгруппы ПС, проявляющий разные металла можно по кислотному остатку. После того как установлена будет степень окисления металла, ставят (-2), далее вычисляют степень окисления центрального элемента, воспользовавшись химическим уравнением.

В качестве примера рассмотрим определение степеней окисления у элементов в (средней соли). NaNO3. Соль образована металлом главной подгруппы 1 группы, следовательно, степень окисления натрия будет +1. У кислорода в нитратах степень окисления составляет -2. Для определения численного значения степени окисления составляет уравнение +1+X-6=0. Решая данное уравнение, получаем, что X должен быть +5, это и есть

Основные термины в ОВР

Для окислительного, а также восстановительного процесса существуют специальные термины, которые обязаны выучить школьники.

Степень окисления атома это его непосредственная способность присоединять к себе (отдавать иным) электроны от каких-то ионов или же атомов.

Окислителем считают нейтральные атомы или заряженные ионы, в ходе химической реакции присоединяющие себе электроны.

Восстановителем станут незаряженные атомы или заряженные ионы, что в процессе химического взаимодействия теряют собственные электроны.

Окисление представляется как процедура отдачи электронов.

Восстановление связано с принятием дополнительных электронов незаряженным атомом или ионом.

Окислительно-восстановительны процессом характеризуется реакция, в ходе которой обязательно меняется степень окисления атома. Это определение позволяет понять, как можно определить, является ли реакция ОВР.

Правила разбора ОВР

Пользуясь данным алгоритмом, можно расставить коэффициенты в любой химической реакции.

Степень окисления - условная величина, использующаяся для записи окислительно-восстановительных реакций. Для определения степени окисления используется таблица окисления химических элементов.

Значение

Степень окисления основных химических элементов основана на их электроотрицательности. Значение равно числу смещённых в соединениях электронов.

Степень окисления считается положительной, если электроны смещаются от атома, т.е. элемент отдаёт электроны в соединении и является восстановителем. К таким элементам относятся металлы, их степень окисления всегда положительная.

При смещении электрона к атому значение считается отрицательным, а элемент - окислителем. Атом принимает электроны до завершения внешнего энергетического уровня. Окислителями является большинство неметаллов.

Простые вещества, не вступающие в реакцию, всегда имеют нулевую степень окисления.

Рис. 1. Таблица степеней окисления.

В соединении положительную степень окисления имеет атом неметалла с меньшей электроотрицательностью.

Определение

Определить максимальную и минимальную степень окисления (сколько электронов может отдавать и принимать атом) можно по периодической таблице Менделеева.

Максимальная степень равна номеру группы, в которой находится элемент, или количеству валентных электронов. Минимальное значение определяется по формуле:

№ (группы) – 8.

Рис. 2. Таблица Менделеева.

Углерод находится в четвёртой группе, следовательно, его высшая степень окисления +4, а низшая - -4. Максимальная степень окисления серы +6, минимальная - -2. Большинство неметаллов всегда имеет переменную - положительную и отрицательную - степень окисления. Исключением является фтор. Его степень окисления всегда равна -1.

Следует помнить, что к щелочным и щелочноземельным металлам I и II групп соответственно, это правило не применимо. Эти металлы имеют постоянную положительную степень окисления - литий Li +1 , натрий Na +1 , калий K +1 , бериллий Be +2 , магний Mg +2 , кальций Ca +2 , стронций Sr +2 , барий Ba +2 . Остальные металлы могут проявлять разную степень окисления. Исключением является алюминий. Несмотря на нахождение в III группе, его степень окисления всегда +3.

Рис. 3. Щелочные и щелочноземельные металлы.

Из VIII группы высшую степень окисления +8 могут проявлять только рутений и осмий. Находящиеся в I группе золото и медь проявляют степень окисления +3 и +2 соответственно.

Запись

Чтобы правильно записывать степень окисления, следует помнить о нескольких правилах:

• инертные газы не вступают в реакции, поэтому их степень окисления всегда равна нулю;
• в соединениях переменная степень окисления зависит от переменной валентности и взаимодействия с другими элементами;
• водород в соединениях с металлами проявляет отрицательную степень окисления - Ca +2 H 2 −1 , Na +1 H −1 ;
• кислород всегда имеет степень окисления -2, кроме фторида кислорода и пероксида - O +2 F 2 −1 , H 2 +1 O 2 −1 .

Что мы узнали?

Степень окисления - условная величина, показывающая, сколько электронов принял или отдал атом элемента в соединении. Величина зависит от количества валентных электронов. Металлы в соединениях всегда имеют положительную степень окисления, т.е. являются восстановителями. Для щелочных и щелочноземельных металлов степень окисления всегда одинаковая. Неметаллы, кроме фтора, могут принимать положительную и отрицательную степень окисления.