Тема 1. Химико-технологические процессы и химико-технологические системы

1. 1. Классификация химических веществ.

Номенклатура химических соединений

1. 1. 1. Основные классы неорганических соединений

Одной из важнейших задач современной химической технологии является получение веществ с комплексом заданных свойств. Класси­фикация и систематизация веществ облегчает их изучение, а знание особенностей, присущих данному классу соедине­ний, позволяет характеризовать свойства отдельных его представителей.

Все вещества делятся на простые и сложные (химические соединения). Простыми называются те из них, которые со­стоят из атомов одного элемента, а сложными или хими­ческими соединениями – из атомов двух и более элементов. Химический элемент – это вид атомов с одинаковым положительным зарядом ядра.

Простые вещества традиционно подразделяются на металлы и неметаллы. Если в периоди­ческой системе элементов Д. И. Менделеева провести диагональ от бора (B) к ас­тату (At), то слева от этой условной границы окажутся металлы, а справа — неметаллы. Элементы, занимающие пригранич­ное положение (например, германий), проявляют как ме­таллические, так и неметаллические свойства.

К металлам относят элементы, атомы которых способны легко отдавать электроны и образовывать катионы в раство­рах; к неметаллам – электроотрицательные элементы, спо­собные сравнительно легко присоединять электроны и обра­зовывать анионы. Таким образом, неметаллами считают: благородные газы (Аr, Кr, Ne, Хе), галогены (F, Cl, Br, At), халькогены (O, S, Se, Те), азот (N), фосфор (P), мышьяк (As), углерод, кремний (Si), бор и водород (H). Остальные элементы условно отно­сят к металлам.

Химические соединения классифицируют по составу и функциональным признакам. По составу сложные вещества обычно подразделяют на бинарные (двухэлементные) и многоэле­ментные соединения. По функциональному признаку выделяют следующие классы неорганических веществ: оксиды, основания, кислоты, соли. (Классы и номенклатура органических веществ изучается в курсе «Основы органического синтеза»)

1. 1. 2. Основы номенклатуры неорганических веществ

1. 1. 2. 1. Общие положения

В настоящее время известно огромное количество различных соединений, что предопределяет необходимость существования единой строгой системы принципов и правил изображения их формул и построения названий. Совокупность правил составления химических формул, а также способов наименования индивидуальных химических веществ является задачей химической номенклатуры.

В современной химии наибольшее распространение получила номенклатура ИЮПАК (IUРАС – International Union Pure and Applied Che­mistry – Международный союз теоретической и прикладной химии). В основу номенклатуры неорганических веществ положен их состав как неменяющаяся во времени основная характеристика. Химическая номенклатура состоит из формул, изображающих состав веществ с помощью символов химических элементов с числовыми индексами и другими знаками, и названий, отражающих состав с помощью слов. Переход от химических формул к названиям (и наоборот) определяется системой номенклатурных правил.

По правилам номенклатуры ИЮПАК каждое соединение в соответствии с его формулой получает систематическое название, адекватно отражающее его состав, причем равноценных названий может быть несколько. В международной номенклатуре для некоторых наиболее распространенных соединений допускается использование традиционных и специальных (несистемных) названий. В практике и научно-технической литературе можно встретить также и другие несистемные названия: тривиальные и минералогические.

Систематические названия неорганических веществ строятся на основе названий (или производных от них) химических элементов, входящих в состав соединения. Для многих элементов корни их русских названий совпадают с корнями латинских названий. В случае несовпадения в производные названия вводятся корни латинских названий элементов. Тип и конкретные особенности того или иного соединения отражаются с помощью суффиксов и приставок, входящих в состав названия. Для характеристики количественного состава вещества используются греческие числительные, которые служат числовыми приставками. Числительные более 12 указываются в виде арабской цифры через дефис (цифра читается как количественное числительное). Неопределенное число обозначается приставкой поли-.

При составлении эмпирических формул и образовании названий химических соединений часто необходимо указывать степень окисления того или иного элемента. Степень, окисления элемента в соединении – это тот формальный заряд, который возник бы на атоме данного элемента, если бы электроны каждой его связи полностью перешли к более электроотрицательному атому. Такое предположение носит формальный характер, так как вычисленные заряды атомов в большинстве случаев далеки от их истинных значений. Степень окисления элемента в соединении указывается (при необходимости) римскими цифрами в круглых скобках после его названия: CО₂ – оксид углерода (IV). Такой способ указания степени окисления элемента в названии соединения называется способом Штока.

Для указания стехиометрических соотношений веществ, заряд электроотрицательной части которых очевиден, при построении названий можно применять метод Штока. Примеры названий соединений по способу Штока: RhF₄ – фторид радия (IV); RhF₆ – фторид радия (VI); As₂S₃ – сульфид (III); V(OH)₃ – гидроксид ванадия (III).

Однако по способу Штока нельзя назвать такие соединения, как: Fe₃O₄, Fe₃C, Cr₂N, т. е. когда степень окисления элемента и заряд аниона нельзя определить исходя из формулы. Использование способа Штока невозможно, если стехиометрическое соотношение между составляющими достаточно сложное (2:2; 2:4; 4:10 и т. д.). В этом случае название, построенное по способу Штока, не дает адекватного описания формулы. Например, название хлорид ртути (I) отвечает формуле HgCl, в то время как молекулярная формула этого соединения Hg₂Cl₂. Для таких соединений название следует составлять, используя числовые приставки: Hg₂Cl₂ – дихлорид диртути.

Примеры названий соединений по правилу с числовыми приставками: SСl₄ – тетрахлорид серы; Cr₂N - нитрид дихрома; NOF₃ – трифторид-оксид азота; S₂Cl₂O₅ – пентаоксид-дихлорид дисеры; W₂₀O₅₈ – 58-оксид 20-вольфрама.

Приставка моно- у названий электроположительных составляющих (катионов) всегда опускается. В названиях электроотрицательных составляющих (анионов) приставка моно- не дается только в случаях, когда в названии катиона имеется числовая приставка, например: Br₃N — нитрид триброма (вместо мононитрид триброма).

Если степень окисления элемента в катионе очевидна, ее можно в названиях, построенных по способу Штока, не указывать: НСl – хлорид водорода; LiF – фторид лития; Na₂O — оксид натрия.

Таким образом, по номенклатурным правилам составления названий каждое вещество получает в соответствии с его формулой систематическое название, полностью отражающее его состав. Систематических названий, адекватно передающих состав вещества, может быть несколько, например: Mn₂O₇— гептаоксид димарганца или оксид марганца (VII). Из них выбирают то, которое предпочтительнее в данном тексте.

Помимо систематических названий для ограниченного числа распространенных соединений правила ИЮПАК. допускают использование традиционных и специальных названий, например: HNO₃ – азотная кислота; НС1 – соляная кислота; NaOH – едкий натр; Na₂CO₃ – сода; Н₂О – вода; NH₃ - аммиак, хотя такие названия точного представления о составе не дают.