Значение неорганической химии. Неорганическая химия - это что такое? Неорганическая химия в школьной программе. Простые вещества в неорганике

Неорганическая химия - раздел химии, связанный с изучением строения, реакционной способности и свойств всех химических элементов и их неорганических соединений. Это область охватывает все химические соединения, за исключением органических веществ (класса соединений, в которые входит углерод, за исключением нескольких простейших соединений, обычно относящихся к неорганическим). Различие между органическими и неорганическими соединениями, содержащими углерод, являются по некоторым представлениям произвольными.Неорганическая химия изучает химические элементы и образуемые ими простые и сложные вещества (кроме органических соединений). Обеспечивает создание материалов новейшей техники. Число известных на 2013 г. неорганических веществ приближается к 400 тысячам.

Теоретическим фундаментом неорганической химии является периодический закон и основанная на нём периодическая система Д. И. Менделеева. Важнейшая задача неорганической химии состоит в разработке и научном обосновании способов создания новых материалов с нужными для современной техники свойствами.

В России исследованиями в области неорганической химии занимаются Институт неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН (ИНХ СО РАН, Новосибирск), Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова (ИОНХ РАН, Москва), Институт физико-химических проблем керамических материалов (ИФХПКМ, Москва), Научно-технический центр «Сверхтвердые материалы» (НТЦ СМ, Троицк) и ряд других учреждений. Результаты исследований публикуются в журналах («Журнал неорганической химии» и др.).

История определения

Исторически название неорганическая химия происходит от представления о части химии, которая занимается исследованием элементов, соединений, а также реакций веществ, которые не образованы живыми существами. Однако со времен синтеза мочевины из неорганического соединения цианата аммония (NH 4 OCN), который совершил в 1828 году выдающийся немецкий химик Фридрих Вёлер, стираются границы между веществами неживой и живой природы. Так, живые существа производят много неорганических веществ. С другой стороны, почти все органические соединения можно синтезировать в лаборатории. Однако деление на различные области химии является актуальным и необходимым, как и раньше, поскольку механизмы реакций, структура веществ в неорганической и органической химии различаются. Это позволяет проще систематизировать методы и способы исследования в каждой из отраслей.

Оксиды

Оксид (окисел, окись) - бинарное соединение химического элемента с кислородом в степени окисления −2, в котором сам кислород связан только с менее электроотрицательным элементом. Химический элемент кислород по электроотрицательности второй после фтора, поэтому к оксидам относятся почти все соединения химических элементов с кислородом. К исключениям относятся, например, дифторид кислорода OF 2 .

Оксиды - весьма распространённый тип соединений, содержащихся в земной коре и во Вселенной вообще. Примерами таких соединений являются ржавчина, вода, песок, углекислый газ, ряд красителей.

Оксидами называется класс минералов, представляющих собой соединения металла с кислородом.

Соединения, которые содержат атомы кислорода, соединённые между собой, называются пероксидами (перекисями; содержат цепочку −O−O−), супероксидами (содержат группу О−2) и озонидами (содержат группу О−3). Они не относятся к категории оксидов.

Классификация

В зависимости от химических свойств различают:

Солеобразующие оксиды:

основные оксиды (например, оксид натрия Na 2 O, оксид меди(II) CuO): оксиды металлов, степень окисления которых I-II;

кислотные оксиды (например, оксид серы(VI) SO 3 , оксид азота(IV) NO 2): оксиды металлов со степенью окисления V-VII и оксиды неметаллов;

амфотерные оксиды (например, оксид цинка ZnO, оксид алюминия Al 2 О 3): оксиды металлов со степенью окисления III-IV и исключения (ZnO, BeO, SnO, PbO);

Несолеобразующие оксиды: оксид углерода(II) СО, оксид азота(I) N 2 O, оксид азота(II) NO.

Номенклатура

В соответствии с номенклатурой ИЮПАК, оксиды называют словом «оксид», после которого следует наименование химического элемента в родительном падеже, например: Na 2 O - оксид натрия, Al 2 O 3 - оксид алюминия. Если элемент имеет переменную степень окисления, то в названии оксида указывается его степень окисления римской цифрой в скобках сразу после названия (без пробела). Например, Cu 2 О - оксид меди(I), CuO - оксид меди(II), FeO - оксид железа(II), Fe 2 О 3 - оксид железа(III), Cl 2 O 7 - оксид хлора(VII).

Часто используют и другие наименования оксидов по числу атомов кислорода: если оксид содержит только один атом кислорода, то его называют монооксидом или моноокисью, если два - диоксидом или двуокисью, если три - то триоксидом или триокисью и т. д. Например: монооксид углерода CO, диоксид углерода СО 2 , триоксид серы SO 3 .

Также распространены исторически сложившиеся (тривиальные) названия оксидов, например угарный газ CO, серный ангидрид SO 3 и т. д.

В начале XIX века и ранее тугоплавкие, практически не растворимые в воде оксиды химики называли «землями».

Оксиды с низшими степенями окисления (субоксиды) иногда по старой русской номенклатуре называют закись (англ. аналог - protoxide) и недокись (например, оксид углерода(II), CO - закись углерода; диоксид триуглерода, C 3 O 2 - недокись углерода; оксид азота(I), N 2 O - закись азота; оксид меди(I), Cu 2 O - закись меди). Высшие степени окисления (оксид железа(III), Fe2O3) называют в соответствии с этой номенклатурой окись, а сложные оксиды - закись-окись (Fe 3 O 4 = FeO·Fe 2 O 3 - закись-окись железа, оксид урана(VI)-диурана(V), U 3 O 8 - закись-окись урана). Эта номенклатура, однако, не отличается последовательностью, поэтому такие названия следует рассматривать скорее как традиционные.

Химические свойства

Основные оксиды

1. Основный оксид + cильная кислота → соль + вода

2. Сильноосновный оксид + вода → щелочь

3. Сильноосновный оксид + кислотный оксид → соль

4. Основный оксид + водород → металл + вода

Примечание: металл менее активный, чем алюминий.

Кислотные оксиды

1. Кислотный оксид + вода → кислота

Некоторые оксиды, например SiO 2 , с водой не вступают в реакцию, поэтому их кислоты получают косвенным путём.

2. Кислотный оксид + основный оксид → соль

3. Кислотный оксид + основание → соль + вода

Если кислотный оксид является ангидридом многоосновной кислоты, возможно образование кислых или средних солей:

4. Нелетучий оксид + соль1 → соль2 + летучий оксид

5. Ангидрид кислоты 1 + безводная кислородосодержащая кислота 2 → Ангидрид кислоты 2 + безводная кислородосодержащая кислота 1

Амфотерные оксиды

При взаимодействии с сильной кислотой или кислотным оксидом проявляют основные свойства:

При взаимодействии с сильным основанием или основным оксидом проявляют кислотные свойства:

(в водном растворе)

(при сплавлении)

Получение

1. Взаимодействие простых веществ (за исключением инертных газов, золота и платины) с кислородом:

При горении в кислороде щелочных металлов (кроме лития), а также стронция и бария образуются пероксиды и надпероксиды:

2. Обжиг или горение бинарных соединений в кислороде:

3. Термическое разложение солей:

4. Термическое разложение оснований или кислот:

5. Окисление низших оксидов в высшие и восстановление высших в низшие:

6. Взаимодействие некоторых металлов с водой при высокой температуре:

7. Взаимодействие солей с кислотными оксидами при сжигании кокса с выделением летучего оксида:

8. Взаимодействие металлов с кислотами-оксилителями:

9. При действии водоотнимающих веществ на кислоты и соли:

10. Взаимодействие солей слабых неустойчивых кислот с более сильными кислотами:

Соли

Соли - класс химических соединений, состоящих из катионов и анионов.


В роли катионов в солях могут выступать катион металлов, ониевые катионы


(катионов аммония, фосфония, гидроксония и их органические производные),


комплексные катионы и т.д., в качестве анионов - анионы кислотного остатка различных кислот Бренстеда - как неорганических, так и органических, включая карбанионы, комплексные анионы и т.п.

Типы солей

Особую группу составляют соли органических кислот, свойства которых значительно отличаются от свойств минеральных солей. Некоторые из них можно отнести к особенному классу органических солей, так называемых ионных жидкостей или по-другому «жидких солей», органических солей с температурой плавления ниже 100 °C.

Названия солей

Названия солей образуются из двух слов: название аниона в именительном падеже и название катиона в родительном падеже: - сульфат натрия. Для металлов с переменной степенью окисления её указывают в скобках и без пробела: - сульфат железа(II), - сульфат железа(III).

Названия кислых солей начинаются с приставки «гидро-» (если в соли присутствует один атом водорода) или «дигидро-» (если их два). Например, - гидрокарбонат натрия, - дигидрофосфат натрия.

Названия основных солей содержат приставку «гидроксо-» или «дигидроксо-». Например, - хлорид гидроксомагния, - хлорид дигидроксоалюминия.

В гидратных солях на наличие кристаллической воды указывает приставка «гидрат-». Степень гидратации отражают численной приставкой. Например, - дигидрат хлорида кальция.

На низшую степень окисления кислотообразующего элемента (если степеней окисления больше двух) указывает приставка «гипо-». Приставка «пер-» указывает на высшую степень окисления (для солей кислот с окончаниями «-овая», «-евая», «-ная»). Например: - гипохлорит натрия, - хлорит натрия, - хлорат натрия, - перхлорат натрия.

Методы получения

Существуют различные методы получения солей:

1)Взаимодействие кислот с металлами, основными и амфотерными оксидами / гидроксидами:

2)Взаимодействие кислотных оксидов c щелочами, основными и амфотерными оксидами / гидроксидами:

3)Взаимодействие солей c кислотами, другими солями (если образуется выходящий из сферы реакции продукт):

Взаимодействие простых веществ:

Взаимодействие оснований с неметаллами, например, с галогенами:

Химические свойства

Химические свойства определяются свойствами катионов и анионов, входящих в их состав.

Соли взаимодействуют с кислотами и основаниями, если в результате реакции получается продукт, который выходит из сферы реакции (осадок, газ, мало диссоциирующие вещества, например, вода или другие оксиды):

Соли взаимодействуют с металлами, если свободный металл находится левее металла в составе соли в электрохимическом ряде активности металлов:

Соли взаимодействуют между собой, если продукт реакции выходит из сферы реакции (образуется газ, осадок или вода); в том числе эти реакции могут проходить с изменением степеней окисления атомов реагентов:

Некоторые соли разлагаются при нагревании:

Основание

Основания - класс химических соединений.

Основания (осно́вные гидрокси́ды) - сложные вещества, которые состоят из атомов металла или иона аммония и гидроксогруппы (-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 протонной теории кислот и оснований, 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».

Понятие основания в химию было впервые введено французским химиком Гийомом Франсуа Руэлем в 1754 году. Он отметил, что кислоты, известные в те времена как летучие жидкости (например, уксусная или соляная кислоты), превращаются в кристаллические соли только в сочетании с конкретными веществами. Руэль предположил, что такие вещества служат «основаниями» для образования солей в твёрдой форме.

Получение

Взаимодействие сильноосновного оксида с водой позволяет получить сильное основание или щёлочь.

Слабоосновные и амфотерные оксиды с водой не реагируют, поэтому соответствующие им гидроксиды таким способом получить нельзя.

Гидроксиды малоактивных металлов получают при добавлении щелочи к растворам соответствующих солей. Так как растворимость слабоосновных гидроксидов в воде очень мала, гидроксид выпадает из раствора в виде студнеобразной массы.

Также основание можно получить при взаимодействии щелочного или щелочноземельного металла с водой.

Неорганическая химия - раздел химии, который связан с изучением строения, реакционной способности и свойств всех химических элементов и их неорганических соединений. Эта область химии охватывает все соединения, за исключением органических веществ (класса соединений, в которые входит углерод, за исключением нескольких простейших соединений, обычно относящихся к неорганическим). Различия между органическими и неорганическими соединениями , содержащими , являются по некоторым представлениям произвольными. Неорганическая химия изучает химические элементы и образуемые ими простые и сложные вещества (кроме органических). Число известных сегодня неорганических веществ приближается к 500 тысячам.

Теоретическим основанием неорганической химии является периодический закон и основанная на нём периодическая система Д. И. Менделеева . Главной задачей неорганической химии является разработка и научное обоснование способов создания новых материалов с нужными для современной техники свойствами.

Классификация химических элементов

Периодическая система химических элементов (таблица Менделеева ) - классификация химических элементов, которая устанавливает зависимость различных свойств химических элементов от заряда атомного ядра. Система — это графическое выражение периодического закона, . Её первоначальный вариант был разработан Д. И. Менделеевым в 1869-1871 годах и назывался «Естественная система элементов», который устанавливал зависимость свойств химических элементов от их атомной массы. Всего предложено несколько сотен вариантов изображения периодической системы, но в современном варианте системы предполагается сведение элементов в двумерную таблицу, в которой каждый столбец (группа) определяет основные физико-химические свойства, а строки представляют собой периоды, в некоторой степени подобные друг другу.

Простые вещества

Они состоят из атомов одного химического элемента (являются формой его существования в свободном состоянии). В зависимости от того, какова химическая связь между атомами, все простые вещества в неорганической химии разделяются на две основные группы: и . Для первых характерна металлическая связь, для вторых - ковалентная. Также выделяются две примыкающие к ним группы - металлоподобных и неметаллоподобных веществ. Существует такое явление как аллотропия, которое состоит в возможности образования нескольких типов простых веществ из атомов одного и того же элемента, но с разным строением кристаллической решетки; каждый из таких типов называется аллотропной модификацией.

Металлы

(от лат. metallum - шахта, рудник) - группа элементов, обладающая характерными металлическими свойствами, такими как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск. Из 118 химических элементов, открытых на данный момент, к металлам относят:

  • 38 в группе переходных металлов,
  • 11 в группе лёгких металлов,
  • 7 в группе полуметаллов,
  • 14 в группе лантаноиды+ лантан,
  • 14 в группе актиноиды + актиний,
  • вне определённых групп .

Таким образом, к металлам относится 96 элементов из всех открытых.

Неметаллы

Химические элементы с типично неметаллическими свойствами, занимающие правый верхний угол Периодической системы элементов. В молекулярной форме в виде простых веществ в природе встречаются

Неорганическая химия - часть общей химии. Она занимается изучением свойств и поведения неорганических соединений - их структуры и способности реагировать с другими веществами. Данное направление исследует все вещества, за исключением тех, которые построены из углеродных цепочек (последние являются предметом изучения органической химии).

Описание

Химия - это комплексная наука. Ее деление на категории чисто условно. Например, неорганическую и органическую химию связывают соединения, называемые бионеорганическими. К ним относятся гемоглобин, хлорофилл, витамин B 12 и многие ферменты.

Очень часто при изучении веществ или процессов приходится учитывать различные взаимосвязи с прочими науками. Общая и неорганическая химия охватывает простые и число которых приближается к 400 000. Изучение их свойств часто включает в себя широкий спектр методов физической химии, поскольку они могут сочетать свойства, характерные для такой науки, как физика. На качества веществ влияют проводимость, магнитная и оптическая активность, воздействие катализаторов и прочие «физические» факторы.

Как правило, неорганические соединения классифицируются в соответствии с их функцией:

  • кислоты;
  • основания;
  • оксиды;
  • соли.

Оксиды часто делятся на металлы (основные оксиды или основные ангидриды) и неметаллические оксиды (кислотные оксиды или ангидриды кислот).

Зарождение

История неорганической химии делится на несколько периодов. На первоначальном этапе происходило накопление знаний посредством случайных наблюдений. С древних времен предпринимались попытки трансформировать неблагородные металлы в драгоценные. Алхимическая идея пропагандировалась еще Аристотелем через его учение об конвертируемости элементов.

В первой половине пятнадцатого века свирепствовали эпидемии. Особенно население страдало от оспы и чумы. Эскулапы предполагали, что заболевания вызваны определенными веществами, и борьба с ними должна осуществляться с помощью других веществ. Это привело к началу так называемого медико-химического периода. В то время химия стала самостоятельной наукой.

Становление новой науки

Во время Возрождения химия из чисто практической области исследования стала «обрастать» теоретическими понятиями. Ученые пытались объяснить глубинные процессы, происходящие с веществами. В 1661 году Роберт Бойл вводит понятие «химический элемент». В 1675 году Николас Леммер отделяет химические элементы минералов от растений и животных, тем самым обусловив изучение химией неорганических соединений отдельно от органических.

Позже химики пытались объяснить явление горения. Немецкий ученый Георг Сталь создал теорию флогистонов, согласно которой сгораемое тело отторгает негравитационную частицу флогистона. В 1756 году Михаил Ломоносов экспериментально доказал, что горение некоторых металлов связано с частицами воздуха (кислорода). Антуан Лавуазье также опроверг теорию флогистонов, став родоначальником современной теории горения. Им же введено понятие «соединение химических элементов».

Развитие

Следующий период начинается с работ и попыток объяснить химические законы посредством взаимодействия веществ на атомарном (микроскопическом) уровне. Первый химический конгресс в Карлсруэ в 1860 году дал определения понятий атома, валентности, эквивалента и молекулы. Благодаря открытию периодического закона и созданию периодической системы Дмитрий Менделеев доказал, что атомно-молекулярная теория связана не только с химическими законами, но и с физическими свойствами элементов.

Следующий этап в развитии неорганической химии связан с обнаружением радиоактивного распада в 1876 году и выяснением конструкции атома в 1913-м. Исследование Альбрехта Кесселя и Гильберта Льюиса в 1916 году решает проблему природы химических связей. Основываясь на теории гетерогенного равновесия Уилларда Гиббса и Хенрика Росзеба, Николай Курнаков в 1913 году создал один из основных методов современной неорганической химии - физико-химический анализ.

Основы неорганической химии

Неорганические соединения в природе встречаются в виде минералов. Почва может содержать сульфид железа, такой как пирит, или сульфат кальция в виде гипса. Неорганические соединения также встречаются как биомолекулы. Они синтезируются для использования в качестве катализаторов или реагентов. Первым важным искусственным неорганическим соединением является нитрат аммония, используемый для удобрения почвы.

Соли

Многие неорганические соединения представляют собой ионные соединения, состоящие из катионов и анионов. Это так называемые соли, являющиеся объектом исследований неорганической химии. Примерами ионных соединений являются:

  • Хлорид магния (MgCl 2), в состав которого входят катионы Mg 2+ и анионы Cl - .
  • Оксид натрия (Na 2 O), который состоит из катионов Na + и анионов O 2- .

В каждой соли пропорции ионов таковы, что электрические заряды равновесны, то есть соединение в целом является электрически нейтральным. Ионы описываются степенью окисления и легкостью образования, которая следует из потенциала ионизации (катионы) или электронного сродства (анионы) элементов, из которых они образуются.

К неорганическим солям относятся оксиды, карбонаты, сульфаты и галогениды. Многие соединения характеризуются высокой температурой плавления. Неорганические соли обычно представляют собой твердые кристаллические образования. Другой важной особенностью является их растворимость в воде и легкость кристаллизации. Некоторые соли (например, NaCl) хорошо растворимы в воде, в то время как другие (например, SiO2) почти не растворяются.

Металлы и сплавы

Металлы, такие как железо, медь, бронза, латунь, алюминий, представляют собой группу химических элементов в нижней левой части периодической таблицы. К этой группе относятся 96 элементов, которые характеризуются высокой теплопроводностью и электропроводностью. Они широко используются в металлургии. Металлы могут быть условно разделены на черные и цветные, тяжелые и легкие. Кстати, наиболее используемым элементом является железо, оно занимает 95 % мирового производства среди всех видов металлов.

Сплавы представляют собой сложные вещества, получаемые путем плавления и смешивания двух или более металлов в жидком состоянии. Они состоят из основания (доминирующих элементов в процентном соотношении: железа, меди, алюминия и т. д.) с небольшими добавками легирующих и модифицирующих компонентов.

Человечеством применяется около 5000 типов сплавов. Они являются основными материалами в строительстве и промышленности. Кстати, существуют также сплавы между металлами и неметаллами.

Классификация

В таблице неорганической химии металлы распределены по нескольким группам:

  • 6 элементов находятся в щелочной группе (литий, калий, рубидий, натрий, франций, цезий);
  • 4 - в щелочноземельной (радий, барий, стронций, кальций);
  • 40 - в переходной (титан, золото, вольфрам, медь, марганец, скандий, железо и др.);
  • 15 - лантаноиды (лантан, церий, эрбий и др.);
  • 15 - актиноиды (уран, актиний, торий, фермий и др.);
  • 7 - полуметаллы (мышьяк, бор, сурьма, германий и др.);
  • 7 - легкие металлы (алюминий, олово, висмут, свинец и др.).

Неметаллы

Неметаллы могут быть как химическими элементами, так и химическими соединениями. В свободном состоянии они образуют простые вещества с неметаллическими свойствами. В неорганической химии различают 22 элемента. Это водород, бор, углерод, азот, кислород, фтор, кремний, фосфор, сера, хлор, мышьяк, селен и др.

Наиболее типичными неметаллами являются галогены. В реакции с металлами они образуют которых в основном ионная, например KCl или CaO. При взаимодействии друг с другом неметаллы могут образовывать ковалентно-связанные соединения (Cl3N, ClF, CS2 и т. д.).

Основания и кислоты

Основания - сложные вещества, наиболее важными из которых являются водорастворимые гидроксиды. При растворении они диссоциируют с катионами металлов и анионами гидроксидов, а их рН больше 7. Основания можно рассматривать как химически противоположные кислотам, потому что водо-диссоциирующие кислоты увеличивают концентрацию ионов водорода (H3O+), пока основание не уменьшится.

Кислоты - это вещества, которые участвуют в химических реакциях с основаниями, забирая у них электроны. Большинство кислот, имеющих практическое значение, являются водорастворимыми. При растворении они диссоциируют из катионов водорода (Н +) и кислых анионов, а их рН меньше 7.

На данном этапе эволюции ни один человек не может представить свою жизнь без химии. Ведь каждый день во всем мире происходят различные химические реакции, без которых просто невозможно существование всего живого. В целом в химии существует два раздела: неорганическая и органическая химия. Чтобы разобраться в основных их отличиях, в первую очередь необходимо понять, что эти разделы собой представляют.

Неорганическая химия

Известно, что эта область химии изучает все физические и химические свойства неорганических веществ , а так же их соединений, при этом берется во внимание их состав, структура, а так же способность к различным реакциям с применением реактивов и при их отсутствии.

Они бывают как простыми, так и сложными. С помощью неорганических веществ создаются новые технически важные материалы, которые пользуются спросом у населения. Если быть точными, то этот раздел химии занимается изучением тех элементов и соединений, которые не создаются живой природой и не являются биологическим материалом, а получаются путем синтеза из других веществ .

В ходе некоторых экспериментов, оказалось, что живые существа способны производить много неорганических веществ, а так же существует и возможность синтеза органических веществ в лаборатории. Но, несмотря на это, все же разделять между собой эти две области просто необходимо, так как по механизмам прохождения реакций, структуре и свойствам веществ этих областей существуют некие различия, не позволяющих все объединить в один раздел.

Выделяют простые и сложные неорганические вещества . К простым веществам относятся две группы соединений – это металлы и неметаллы. Металлы – это такие элементы, которым присущи все металлические свойства, а так же существует металлическая связь между ними. К этой группе относят такие виды элементов: щелочные металлы, щелочноземельные, переходные, легкие, полуметаллы, лантаноиды, актиноиды, а так же магний и бериллий. Из всех, официально признанных, элементов периодической системы к металлам относят девяносто шесть элементов из ста восьмидесяти одного возможного, то есть больше половины.

Самыми известными элементами из неметаллических групп являются кислород, кремний, и водород, а те, которые менее распространенные - это мышьяк, селен и йод. К простым неметаллам так же относят гелий и водород.

Сложные неорганические вещества подразделяют на четыре группы:

  • Оксиды.
  • Гидроксиды.
  • Соли.
  • Кислоты.

Органическая химия

Данная область химии исследует вещества, которые состоят из углерода и других элементов, тех, что вступают с ним в связь, то есть создают так называемые органические соединения. Это могут быть вещества и неорганической природы, так как углеводород может присоединять к себе много разных химических элементов.

Чаще всего, органическая химия занимается синтезом и обработкой веществ и их соединений из сырья растительного, животного или микробиологического происхождения, хотя, особенно в последнее время, эта наука выросла далеко за пределы обозначенных рамок.

К основным классам органических соединений относятся: углеводороды, спирты, фенолы, галогенсодержащие соединения, простые и сложные эфиры, альдегиды, кетоны, хиноны, азотсодержащие и серосодержащие соединения, карбоновые кислоты, гетероциклические, металлоорганические соединения и полимеры.

Вещества, изучаемые органической химией, отличаются огромным разнообразием, так как из-за наличия в их составе углеводорода они могут связываться с множеством других различных элементов. Безусловно, органические вещества так же входят в состав живых организмов в виде жиров, белков и углеводов, которые выполняют различные жизненно важные функции. Самыми главными с которых есть энергетическая, регуляторная, структурная, защитная и другие. Они входят в состав каждой клеточки, каждой ткани и органа любого живого существа. Без них невозможно нормальное функционирование организма в целом, нервной системы, репродуктивной и других. Значит, все органические вещества играют огромную роль в существовании всего живого на земле.

Основные отличия между ними

В принципе, эти два раздела связанны между собой, но так же и имеют некоторые отличия. Прежде всего, в состав органических веществ обязательно входит углерод , в отличие от неорганических, в состав которых он может и не входить. Так же существуют различия в структуре, в способности реагировать на различные реагенты и созданные условия, в строении, в основных физических и химических свойствах, в происхождении, в молекулярной массе и так далее.

В органических веществ молекулярная структура намного сложнее , чем у неорганических. Последние могут плавиться только при достаточно высоких температурах и крайне затрудненно поддаются разложению, в отличии от органических, которые имеют относительно не высокую температуру плавления. Органические вещества имеют достаточно объемную молекулярную массу.

Еще важным отличием является то, что только органические вещества имеют способность формировать соединения с одинаковым набором молекул и атомов , но которые имеют различные варианты расположения. Таким образом, получаются совершенно разные вещества, отличающиеся между собой по физическим и химическим свойствам. То есть органические вещества склонны к такому свойству как изомерия.

НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Учебно-методический комплекс

Часть первая. Программа лекционного курса

Нижний Новгород, 2006


УДК 546 (073.8)

Неорганическая химия: Учебно-методический комплекс. Часть первая. Программа лекционного курса / А.А.Сибиркин.- Нижний Новгород: ННГУ, 2006.- 34 с.

Первая часть учебно-методического комплекса содержит план курса лекций по неорганической химии для студентов первого курса химического факультета ННГУ им. Н.И.Лобачевского.

Для студентов 1 курса химического факультета, изучающих курс неорганической химии.

© А.А.Сибиркин, 2006

© Нижегородский госуниверситет

им. Н.И.Лобачевского, кафедра

неорганической химии


Пояснительная записка

Курс неорганической химии, преподаваемый на химическом факультете ННГУ, ставит своей целью обеспечить овладение студентами основами неорганической химии как одной из фундаментальных дисциплин в системе химического знания.

Основными задачами курса являются: усвоение студентами основных закономерностей химических превращений; знание фактического материала, относящегося к распространенности и формам нахождения химических элементов в природе, принципам переработки минерального сырья, методам получения, строению, физическим свойствам и реакционной способности, практическому использованию неорганических веществ; формирование умения решать стандартные и комбинированные на их основе расчетные задачи, относящиеся к свойствам неорганических веществ; овладение на практике основами химического эксперимента, важнейшими методами получения и очистки неорганических веществ.

Содержание курса предусматривает разъяснение важнейших понятий физической химии и строения вещества, развитие умения применять изученные закономерности для решения практических задач, что реализует идею концентричности химического образования в высшей школе. Понимание закономерностей протекания реакций и реакционной способности веществ является основой для формирования обширных и глубоких знаний фактического материала по химии элементов и их соединений.

В результате изучения курса неорганической химии студенты должны:

Знать, как научные теории объясняют процессы взаимодействия веществ, описывают количественные соотношения между участниками химического превращения, указывают на возможность самопроизвольного протекания процесса, характеризуют скорость превращений, рассматривают состояние вещества и его превращения в растворах.

Знать фактический материал, относящийся к распространенности и формам нахождения химических элементов в природе, принципам переработки минерального сырья, методам получения, строению, физическим свойствам и реакционной способности, практическому использованию неорганических веществ.

Уметь анализировать свойства химических элементов на основании их положения в периодической системе, объяснять тенденции изменения свойств в ряду аналогичных веществ, на основании теории строения атома и химической связи раскрывать зависимость свойств веществ от их состава и строения, прогнозировать свойства веществ, предсказывать вероятные продукты химического превращения в конкретных условиях, связывать свойства вещества с возможными областями их применения.

Уметь пользоваться химической символикой, номенклатурой неорганических веществ, терминологией физической и неорганической химии.

Уметь составлять химические уравнения, расставлять стехиометрические коэффициенты, решать стандартные и комбинированные на их основе расчетные задачи, относящиеся к свойствам неорганических веществ и закономерностям их превращения.

Обладать навыками работы с учебной, справочной, монографической литературой, самостоятельно находить необходимые сведения по химии элементов и их соединений, уметь объединять, анализировать и систематизировать литературные данные.

Обладать практическими навыками лабораторного химического эксперимента, методами безопасной работы в химической лаборатории, реализовывать методики синтеза и очистки неорганических веществ, уметь формулировать заключение о природе вещества по совокупности полученных экспериментальных данных.

Иметь представление об электронном строении атомов, молекул, твердых тел, комплексных соединений, о методах исследования неорганических веществ.

Теоретической базой, необходимой для успешного освоения курса неорганической химии, являются:

1. Курсы химии, математики и физики, преподаваемые в средних общеобразовательных школах или в средних специальных учебных заведениях химического профиля.

2. Курсы строения вещества и кристаллохимии, преподаваемые параллельно с курсом неорганической химии на химическом факультете ННГУ.

3. Знание основных разделов физической химии, предусмотренных этой программой, изучение которых предшествует изложению основного материала неорганической химии.

Лекционный курс по неорганической химии и его программа состоят из четырех разделов. Раздел «Теоретические основы неорганической химии» объединяет учебный материал, посвященный химической терминологии, символике и номенклатуре, газовым законам и стехиометрии, основам химической термодинамики, теории растворов и фазовых равновесий, электрохимии, химической кинетике, учению о координационных соединениях. Усвоение этих понятий необходимо для того, чтобы последующее изучение фактического материала неорганической химии можно было вести на современной теоретической базе и заложить основы решения расчетных задач.

Разделы «Химия элементов – неметаллов» и «Химия элементов – металлов» раскрывают основное содержание курса – фактический материал неорганической химии, который систематизирован на основе периодического закона. Сведения о химических элементах излагаются в определенной последовательности: нахождение в природе, изотопный состав, положение в периодической системе, строение атома и валентные возможности, биологическая роль. Знания о соединениях химических элементов формируются в следующем логическом порядке: получение, строение, физические и химические свойства, применение, техника безопасной работы. Программой предусмотрена сравнительная характеристика свойств элементов и их соединений на основании положения в периодической системе (устойчивость степеней окисления, изменение кислотно-основных и окислительно-восстановительных свойств соединений), которая обобщает учебный материал по данному элементу или подгруппе.

В «Заключении» на основе периодического закона систематизированы общие свойства неметаллов и металлов, раскрываются некоторые вопросы геохимии и радиохимии, кратко освещаются методы исследования неорганических соединений. Изучение этих разделов способствует закреплению логических связей, сформированных в ходе рассмотрения фактического материала курса.

Лекционный курс по неорганической химии рассчитан на 140 часов в первом и втором учебных семестрах. Курс сопровождается проведением практических занятий (70 часов), на которых студенты знакомятся с приемами решения расчетных задач, и выполнением лабораторного практикума (140 часов). Изучение курса неорганической химии предполагает самостоятельную работу студента (150 часов), сдачу коллоквиумов и написание контрольных работ. В каждом из семестров студенты сдают зачет по лабораторному практикуму и экзамен по теоретическому курсу.

Теоретические основы неорганической химии

Основные понятия и законы химии. Атомно-молекулярное учение. Классическое и современное понятие атома. Строение атома. Атомное ядро, нуклоны, электроны, электронные оболочки. Атомный номер и массовое число. Изотопы. Химические элементы. Химическая связь. Ионная и ковалентная связь. Молекулы и формульные единицы.

Моль. Постоянная Авогадро. Количество вещества. Масса, объем и плотность вещества. Атомная и молярная массы. Молярный объем. Атомная единица массы. Относительная атомная и молекулярная массы.

Химический индивид и его признаки. Однородность вещества, понятия фазы и области гомогенности. Характерное строение. Молекулярное и кристаллохимическое строение. Основные понятия химии твердого тела. Элементарная ячейка. Трансляция. Дальний порядок. Представление о полиморфизме и изоморфизме. Определенность состава и закон постоянства состава. Закон кратных отношений. Химический индивид и чистое вещество. Сложное вещество и химическое соединение. Простое вещество и химический элемент. Аллотропия и полиморфизм.

Химическая символика. Номенклатура неорганических соединений.

Система и окружающая среда. Закрытые, открытые и изолированные системы. Гомогенные и гетерогенные системы. Состояние системы и параметры состояния. Стационарное и равновесное состояния системы. Процессы в системе и их классификация. Интенсивные и экстенсивные параметры состояния.

Понятие компонента. Способы выражения состава систем. Массовая и молярная доли. Молярная и моляльная концентрации. Титр. Растворимость. Закон сохранения массы и условие материального баланса. Молярная масса смеси.

Вариантность системы. Понятие независимого компонента. Правило фаз. Диаграмма состояния индивидуального вещества. Фигуративные точки. Фазовые переходы. Применение правила фаз для анализа диаграмм состояния.

Методы определения атомных и молекулярных масс. Экспериментальные методы определения молярных масс летучих веществ. Методы Реньо, Майера и Дюма. Расчет молярных масс из газовых законов. Определение молярных масс нелетучих веществ из коллигативных свойств растворов. Экспериментальное определение атомных масс. Методы, основанные на законе простых объемных отношений. Метод Канниццаро. Масс-спектрометрический метод. Оценка атомных масс из правила Дюлонга и Пти.

Газовые законы. Понятие идеального газа. Уравнение состояния идеального газа. Универсальная газовая постоянная и ее физический смысл. Условия измерения объема. Молярный объем идеального газа. Закон Авогадро. Плотность и относительная плотность газов. Уравнения Клапейрона, Бойля и Мариотта, Гей-Люссака, Шарля.

Смеси идеальных газов. Парциальное давление компонента. Закон парциальных давлений. Объемная доля компонента газовой смеси. Давление насыщенного пара. Математическое описание эвдиометра.

Стехиометрия. Химическая переменная и ее связь с другими экстенсивными величинами. Избыток и недостаток реагентов. Выход продукта реакции. Массовая доля элемента в соединении и установление формул веществ. Простейшая и истинная формулы. Установление состава смесей. Стехиометрия реакций с участием газообразных веществ. Закон простых объемных отношений.

Понятие эквивалента. Эквивалентное число реакции. Эквивалентное число вещества и его физический смысл. Закон эквивалентов. Эквивалентная масса и эквивалентный объем. Эквивалентная масса бинарного соединения. Эквивалентная (нормальная) концентрация. Стехиометрия окислительно-восстановительных реакций и электрохимических процессов. Законы Фарадея. Постоянная Фарадея.

Основы термодинамики. Предмет термодинамики и ее возможности. Энергия и ее виды. Механическая и внутренняя энергия. Теплота и работа – формы передачи энергии. Знаки элементарной теплоты и элементарной работы. Зависимость теплоты и работы от пути процесса. Условия передачи теплоты и совершения работы. Представление теплоты и работы через факторы интенсивности и емкости. Полезная работа и работа расширения. Химическое сродство. Энтропия. Энтропия и термодинамическая вероятность. Постулат Больцмана.

Первое начало термодинамики, его содержание и математическое выражение. Энтальпия. Тепловой эффект. Тепловой эффект при постоянном давлении и постоянном объеме. Теплоемкость. Теплоемкость при постоянном давлении и постоянном объеме. Зависимость энтальпии от температуры. Уравнение Кирхгофа. Удельная и молярная теплоемкости.

Второе начало термодинамики, его содержание. Фундаментальное уравнение термодинамики. Критерий самопроизвольного протекания процесса в изолированной и закрытой системах.

Функция Гиббса и ее дифференциал. Функция Гиббса как критерий самопроизвольного протекания реакции. Уравнение Гиббса и Гельмгольца и его виды. Физический смысл слагаемых в уравнении Гиббса и Гельмгольца.

Зависимость функции Гиббса от давления. Химический потенциал. Стандартный химический потенциал. Относительное парциальное давление. Стандартное состояние газа. Стандартные условия.

Химическая термодинамика. Применение термодинамики к химическим процессам. Изменение экстенсивного свойства в ходе реакции. Взаимосвязь изменений термодинамических функций в ходе реакции. Термохимические уравнения и их линейные преобразования.

Законы Лавуазье – Лапласа и Гесса. Расчет изменений термодинамических функций в ходе реакции их молярных значений этих функций и функций образования и сгорания. Энтальпии образования и энтальпии сгорания веществ. Следствия из закона Гесса. Применение значений энергетических эффектов фазовых превращений и средних энергий химической связи в термохимических расчетах. Экспериментальное определение тепловых эффектов калориметрическим методом. Условие теплового баланса.

Химическое сродство. Уравнение изотермы химической реакции. Термодинамическая константа химического равновесия. Уравнение изобары реакции. Зависимость константы равновесия от температуры. Выражение константы равновесия через парциальные давления и концентрации. Взаимосвязь констант химического равновесия. Предсказание направления процесса из уравнений изотермы и изобары реакции. Принцип динамического равновесия Ле Шателье. Расчет состава равновесной смеси из табличных значений термодинамических функций.

Термодинамика фазовых переходов. Зависимость давления пара от температуры. Энтропия фазового перехода. Зависимость энтропии вещества от температуры. Абсолютная энтропия вещества.

Растворы. Истинные и коллоидные растворы. Насыщенные и ненасыщенные растворы. Концентрированные и разбавленные растворы.

Растворение как физико-химический процесс. Растворимость веществ и ее температурная зависимость. Энтальпия растворения, энергия кристаллической решетки и энтальпия сольватации.

Коллигативные свойства растворов. Изотонический коэффициент, его связь со степенью диссоциации. Давление пара над раствором. Тоноскопический закон. Повышение точки кипения раствора. Эбулиоскопический закон. Понижение точки начала кристаллизации растворителя. Криоскопический закон. Осмос. Осмотическое давление. Применение коллигативных свойств для определения молярных масс веществ.

Химический потенциал растворенного вещества и растворителя. Несимметричная система стандартных состояний. Реальные газы и реальные растворы. Летучесть и активность. Объединенная система стандартных состояний.

Равновесие газ – жидкость. Закон Генри и его термодинамическое обоснование. Константа Генри. Коэффициент растворимости Оствальда. Коэффициент абсорбции Бунзена.

Равновесие жидкость – жидкость. Закон распределения Нернста и его термодинамическое обоснование. Коэффициент распределения. Исходный раствор, экстрагент, экстракт и рафинат. Коэффициент экстракции. Доля неэкстрагированного вещества. Однократная и многократная экстракция, их характеристические уравнения.

Равновесие твердое тело – жидкость. Диаграммы плавкости двухкомпонентных систем. Фигуративные точки и их значение. Диаграмма плавкости системы, образующей непрерывный ряд твердых растворов. Диаграммы плавкости эвтектического типа с полной взаимной нерастворимостью и ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Диаграмма плавкости системы, компоненты которой образуют химическое соединение. Область гомогенности химического соединения. Применение правила фаз к анализу диаграмм плавкости. Расчет количеств равновесных фаз и частей системы. Кривые охлаждения как источник диаграмм плавкости.

Электролитическая диссоциация. Электролиты. Электролитическая диссоциация и ее термодинамическое описание. Константа и степень диссоциации. Сильные и слабые электролиты.

Основные идеи теорий кислот и оснований. Теория электролитической диссоциации Аррениуса, теория сольвосистем Франклина, протонная теория Бренстеда и Лоури, теория Усановича, теория жестких и мягких кислот и оснований Пирсона. Автопротолиз растворителя. Водородный показатель.

Кислотно-основное равновесие. Точный и приближенный расчет ионных равновесий. Ионные равновесия в растворах сильных кислот и оснований. Ионные равновесия в растворах слабых кислот и оснований. Закон разбавления Оствальда. Гидролиз. Способы усиления и подавления гидролиза. Ионные равновесия в растворах гидролизующихся солей. Константа и степень гидролиза. Буферные растворы. Ионные равновесия в буферных растворах.

Равновесие осаждения – растворения и его термодинамическое описание. Произведение растворимости. Условия выпадения и растворения осадка.

Равновесие комплексообразования. Комплексообразователь и лиганды. Координационное число. Общая и ступенчатые константы образования. Константа нестойкости.

Применение значений констант диссоциации, произведения растворимости и констант комплексообразования для предсказания возможности протекания ионных реакций.

Окислительно-восстановительные реакции. Окисление и восстановление. Окислитель и восстановитель. Важнейшие окислители и восстановители, продукты их химического превращения в различных средах. Расстановка коэффициентов в уравнениях реакций методами электронного баланса и полуреакций.

Электрохимия. Проводники первого и второго рода. Понятие электрода и электродной реакции. Классификация электродов. Электродный потенциал. Зависимость электродного потенциала от концентрации. Уравнение Нернста.

Электрохимическая ячейка. Гальванический элемент и его термодинамическое описание. ЭДС гальванического элемента. Определение термодинамических функций по электрохимическим данным. Электролиз. Напряжение разложения. Составление уравнений процессов электролиза. Практическое применение электролиза.

Химическая кинетика и катализ. Скорость химической реакции. Механизм реакции. Простые и сложные реакции.

Зависимость скорости реакции от концентрации реагентов. Закон действующих масс. Кинетическое уравнение. Константа скорости химической реакции. Порядок и молекулярность реакций. Кинетические кривые и их уравнения.

Зависимость скорости реакции от температуры. Уравнения Вант-Гоффа и Аррениуса. Температурный коэффициент скорости реакции. Энергия активации и ее физический смысл. Энергетическая диаграмма реакции. Предэкспоненциальный множитель. Частотный и пространственный факторы.

Катализ и катализаторы. Гомогенный и гетерогенный катализ. Ингибиторы. Промоторы. Примеры каталитических реакций.

Комплексные соединения. Основные понятия и определения. Комплексное соединение. Внешняя сфера. Внутренняя сфера. Комплексообразователь (центральный атом). Лиганды (адденды). Координационное число. Дентатность. Мостиковые лиганды. Кластеры.

Основные положения координационной теории А.Вернера. Главная и побочная валентности.

Классификация комплексных соединений. Классификация по заряду внутренней сферы. Нейтральные, катионные и анионные комплексы. Классификация по природе лиганда. Аквакомплексы, аммиакаты, гидроксикомплексы, ацидокомпексы, карбонилы, смешаннолигандные комплексы. Классификация по числу центральных атомов во внутренней сфере. Одноядерные и многоядерные комплексы. Особые группы комплексных соединений. Хелаты, двойные соли, изополисоединения, гетерополисоединения.

Изомерия комплексных соединений. Структурная изомерия. Междусферная изомерия (ионизационная, гидратная, молекулярная (сольватная) изомерия). Лигандная изомерия (изомерия лиганда, связевая (солевая) изомерия). Координационная изомерия (метамерия и полимерия). Пространственная изомерия (геометрическая и оптическая изомерия).

Номенклатура комплексных соединений. Тривиальная и систематическая номенклатура. Правила формирования названий катионных, нейтральных и анионных комплексов. Указание числа лигандов, природы лиганда и степени окисления центрального атома. Указание числа сложных лигандов. Указание на мостиковые лиганды и лиганды, координированные несколькими атомами. Составление систематических названий комплексных соединений.

Термодинамическая и кинетическая стабильность комплексов. Устойчивые и неустойчивые комплексы. Инертные и лабильные комплексы. Обсуждение термодинамической стабильности комплексов с позиций теории жестких и мягких кислот и оснований.

Природа химической связи в комплексных соединениях. Основные идеи метода валентных связей, теории кристаллического поля, метода молекулярных орбиталей и теории поля лигандов. Методологическое значение теории строения комплексных соединений.

Предсказание строения и свойств комплексных соединений с позиций метода валентных связей. Определение электронной конфигурации центрального атома. Внешнеорбитальные и внутриорбитальные комплексы. Высокоспиноовые и низкоспиновые комплексы. Роль природы лиганда в образовании внешнеорбитальных и внутриорбитальных комплексов. Предсказание кинетической устойчивости комплексов. Отнесение комплексного соединения к внешнеорбитальным и внутриорбитальным комплексам. Предсказание координационного числа, типа гибридизации и геометрической формы комплекса и его магнитных свойств.

Предсказание строения и свойств комплексных соединений с позиций теории кристаллического поля. Предсказание относительного расположения орбиталей центрального атома в поле лигандов октаэдрической, тетраэдрической и плоскоквадратной симметрии. Параметр расщепления. Спектрохимический ряд. Оценка величины расщепления d- подуровня центрального атома. Заполнение расщепленного уровня электронами в случае лигандов сильного и слабого поля. Предсказание окраски комплексного соединения из значения параметра расщепления. Предсказание поведения комплекса в магнитном поле. Энергия стабилизации кристаллическим полем (ЭСКП). Расчет ЭСКП для октаэдрических и тетраэдрических комплексов, образованных лигандами сильного и слабого поля. Предсказание кинетической устойчивости комплексов с позиций теории кристаллического поля.

Хелатные комплексы. Хелатный эффект. Правило циклов. Примеры хелатообразующих лигандов. Внутрикомплексные соединения.

π-Комплексы. Образование координационной связи в π-комплексах. Примеры π-комплексов. π-Дативное взаимодействие на примере ферроцена и бис-(бензол)хрома.

Химические реакции с участием комплексных соединений. Реакции перемещения лигандов между внешней и внутренней сферами. Диссоциация комплексных соединений по внешней и внутренней сферам. Ступенчатые и общие (полные) константы образования. Константа нестойкости. Расчет ионных равновесий в растворах комплексных соединений. Реакции замещения лиганда. Диссоциативный и ассоциативный механизмы замещения. Представление процессов диссоциации комплекса как процессов замещения лигандов молекулами воды. Стереохимия процессов замещения в квадратных и октаэдрических комплексах. Явление транс-влияния. Ряд транс-влияния. Предсказание строения продуктов замещения с позиций представлений о транс-влиянии. Перераспределение лигандов и образование смешанных комплексов. Внутримолекулярные превращения комплексного соединения. Химические превращения координированных лигандов. Протонирование и депротонирование лиганда. Гидроксоляция и ее последствия. Преодоление гидроксоляции в кислых и щелочных средах. Изомеризация лигандов. Реакции присоединения, внедрения и конденсации с органическим координированным лигандом. Металлокомплексный катализ. Окислительно-восстановительные превращения центрального атома. Влияние природы лиганда на значения окислительно-восстановительных потенциалов превращений центрального атома.

Значение комплексных соединений в природе, технологии, сельском хозяйстве, медицине.