Маругин, В..А. Неорганическая химия

УДК 54(075.5)

Маругин В.А. Неорганическая химия. Теоретическая часть: Учебное пособие. – Киров: Вятская ГСХА, 2014. – 210 с.

Рецензенты:

к.х.н., доцент кафедры почвоведения, мелиорации, землеустройства и химии Л.Н. Толмачева; к.т.н., доцент кафедры зоогигиены, физиологии и биохимии Е.В. Маханова.

Учебное пособие рассмотрено и утверждено методической комиссией агрономического факультета Вятской государственной сельскохозяйственной академии (протокол № от ).

Учебное пособие предназначено для студентов агрономического факультета, обучающихся по направлению 35.03.04 «Агрономия» и 35.03.07 «Технология производства и переработки сельскохозяйственной продукции»; студентов биологического факультета, обучающихся по направлениям 36.03.02 «Зоотехния» и 06.03.01 «Биология»; студентов факультета ветеринарной медицины, обучающихся по направлениям 36.05.01 «Ветеринария» и 38.03.07 «Товароведение».

Учебное пособие «Неорганическая химия» состоит из 8 глав, каждая из которых включает в себя в сжатой форме теоретические вопросы, контрольные вопросы для подготовки к лабораторным занятиям, коллоквиумам, примеры решения задач, варианты индивидуальных заданий по важнейшим разделам неорганической химии – таким, как классы неорганических соединений, стехиометрические расчеты, скорость и энергетика химических реакций, химическое равновесие, способы выражения состава растворов, растворы электролитов, водородный показатель, строение атома и периодический закон Д.И. Менделеева, окислительно-восстановительные реакции, комплексные соединения.

В каждом индивидуальном домашнем задании (всего 120 заданий) от 3 до 7 вопросов. По каждой теме для контроля представлены примерные тесты. Пособие снабжено словарем основных терминов и определений и приложениями (12), в которых приведены необходимые для решения задач справочные материалы.

©Маругин В.А., 2014

©ФГБОУ ВПО Вятская ГСХА, 2014

2

Главными задачами данного пособия являются:

1.Попытка организации регулярной самостоятельной работы студентов над курсом неорганической химии;

2.Помощь студентам в овладении этим сложным курсом;

3.Помощь при решении практических задач, связанных с химическими расчетами;

4.Возможность для преподавателей систематически контролировать самостоятельную работу студентов.

Данное учебное пособие по объему и содержанию соответствует учебнику Г.П. Хомченко и И.К. Цитовича «Неорганическая химия».

Оно состоит из 8 глав, имеющих одинаковую структуру. В начале каждой главы пособия указано, какие главы или разделы учебника следует изучить, прежде чем приступить к решению задач или ответам на вопросы. Затем следует перечень вопросов для подготовки к лабораторной работе, коллоквиуму, ответам на вопросы теста, к зачету, экзамену.

Следующим разделом каждой главы является теоретический материал в сжатой форме, помогающий ответам на практические вопросы.

В пособии показаны примеры решения задач. Для удобства работы студентов примеры сгруппированы по типам задач. Практически для всех задач даны алгоритмы решения.

Все главы заканчиваются пятнадцатью вариантами индивидуальных заданий. Число задач и вопросов в каждом индивидуальном задании от 3 до 7. Каждому студенту при выполнении индивидуальных заданий придется столкнуться с 40 задачами и вопросами.

При составлении вопросов индивидуальных заданий автор пытался показать студентам, готовящимся стать специалистами сельского хозяйства, практическую значимость фактологических знаний и навыков расчета химических процессов и систем, которые они приобретают при изучении курса неорганической химии, и тем самым способствовать формированию у студентов положительной мотивации к изучению этого сложного курса. Если есть возможность,

4

то в условиях задач рассматриваются реальные химические системы и процессы, играющие важную роль в агропромышленном комплексе, в биологии и экологии, в производстве минеральных удобрений.

Общее число задач и вопросов в индивидуальных заданиях около 600. Каждая глава сопровождается примерным тестовым заданием по данному

разделу. На вопросы тестов студент отвечает при допуске к лабораторной работе или при проверке усвоения им нового материала.

Методические рекомендации для студентов Данное учебное пособие предназначено для организации и контроля са-

мостоятельной внеаудиторной работы студентов.

При работе с пособием рекомендуется следующий порядок:

1.Изучить теоретический материал по пособию;

2.В случае необходимости найти ответы на непонятные вопросы в учебнике;

3.Просмотреть решение типовых задач, понять алгоритм решения, выписать необходимые формулы и уравнения;

4.Решить задачи своего варианта;

5.Решить выборочно задачи из других вариантов;

6.Ответить на вопросы примерного теста.

Каждое домашнее задание должно быть выполнено на отдельном листе бумаги, в верхней части которого следует указать фамилию студента, номер группы, название факультета, тему индивидуального задания и номер варианта.

Необходимо писать условие задачи. После него надо приводить подробные решения задач с обязательным написанием всех уравнений реакций, подстановкой чисел в расчетные формулы.

Все выполненные и зачтенные индивидуальные домашние задания необходимо сохранить и представить на экзамен.

5

Глава 1. ОСНОВНЫЕ КЛАССЫ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Изучить: Глинка, стр. 37 – 43.

Вопросы для подготовки

1.Простые и сложные вещества;

2.Состав основных классов неорганических соединений;

3.Названия основных неорганических соединений;

4.Основные свойства неорганических соединений;

5.Взаимодействие неорганических соединений между собой;

6.Написание уравнений химических реакций.

Все вещества разделяют на две группы – простые и сложные вещества. Простые вещества - это вещества, образованные атомами одного элемента. Например, простое вещество кислород (O2) образовано атомами элемента кислорода, простое вещество железо – атомами элемента железа (Fe). Про-

стые вещества делят на металлы (Fe, K, Na) и неметаллы (S, P, C, Cl2) .

Сложные вещества, или химические соединения, – это вещества, образованные атомами разных элементов. Так, оксид алюминия (Al2O3) образован атомами элементов алюминия и кислорода, вода (Н2О) – атомами элементов водорода и кислорода. Сложные вещества подразделяют на неорганические и органические. Неорганические вещества включают четыре основных класса: ок-

сиды, основания, кислоты, соли.

Оксиды

Оксиды – это химические соединения, состоящие из двух элементов, один из которых кислород. При этом структура оксида не должна содержать цепочек из связанных друг с другом атомов кислорода. Названия оксидов состоят из слова «оксид» и названия элемента, в скобках римскими цифрами указывают степень окисления элемента в данном оксиде, если возможны несколько оксидов.

6

Например:

CaO – оксид кальция; FeO – оксид железа (II); Fe2O3 – оксид железа (III). По химическим свойствам оксиды разделяют на солеобразующие и несо-

леобразующие. Солеобразующие оксиды образуют три подкласса: кислотные, основные и амфотерные.

К кислотным оксидам относят такие, которые при взаимодействии с водой образуют кислоту.

Кислотные оксиды – это оксиды неметаллов (SO2, N2O3, CO2, P2O5) и некоторых металлов в высоких степенях окисления (CrO3, Mn2O7, MoO3, V2O5 ).

Кислотные оксиды вступают в реакции с водой, основаниями, основными оксидами, амфотерными оксидами:

CO2 + H2O = H2CO3,

CO2 + 2NaOH = Na2CO3 + H2O,

CO2 + CaO = CaCO3,

CO2 + ZnO = ZnCO3.

К основным оксидам относят такие, которые при взаимодействии с водой образуют основание.

Основные оксиды образуют щелочные, щелочноземельные, а также некоторые переходные металлы (например: К2О, SrO, CaO, BaO, NiO).

Основные оксиды вступают в реакции с водой, кислотами, кислотными оксидами, амфотерными оксидами:

CaO + H2O = Ca(OH)2,

CaO + 2HCl = CaCl2 + H2O,

CaO + SO3 = CaSO4,

CaO + ZnO = CaZnO2.

К амфотерным оксидам относят такие, которые могут взаимодействовать с кислотами и основаниями.

Амфотерные свойства проявляют оксиды бериллия, некоторых элементов III – V групп главных подгрупп (Al2O3, SnO2, PbO2, Sb2O3), а также переходных металлов (ZnO, Fe2O3, Cr2O3 и др.).

7

Амфотерные оксиды вступают в реакции c кислотами, основаниями, основными оксидами, кислотными оксидами:

Al2O3 + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2O,

Al2O3 + 6NaOH = 2Na3AlO3+3H2O,

Al2O3 + 3Na2O = 2Na3AlO3 (или NaAlO2),

Al2O3 + 3CO2 = Al2(CO3)3.

К несолеобразующим оксидам относят CO, N2O, NO.

Этим оксидам не соответствуют кислоты и основания, и они не вступают в обычные реакции с водой, кислотой, основанием.

Основания

Основания – это химические соединения, содержащие гидроксильные группы OH−, способные замещаться на кислотные остатки. Названия оснований состоят из слова «гидроксид» и названия элемента; если элемент проявляет переменную степень окисления, то ее указывают римской цифрой, например:

LiOH – гидроксид лития, Ca(OH)2 – гидроксид кальция, Fe(OH)3 – гидроксид железа (III), Fe(OH)2 – гидроксид железа (II).

К основаниям относят гидроксиды металлов - KOH, Ca(OH)2, Al(OH)3 и гидроксид аммония NH4OH. По числу гидроксильных групп основания делят на однокислотные - NaOH, KOH, двухкислотные - Ca(OH)2, Cu(OH)2), трехкислотные - Al(OH)3, Cr(OH)3. По растворимости в воде – растворимые и нерастворимые. Растворимые в воде основания – это гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов - NaOH, KOH, Ba(OH)2. Их называют щелочами. Остальные металлы образуют практически нерастворимые гидроксиды - Cr(OH)3, Cu(OH)2, и др.

Гидроксиды металлов, соответствующие амфотерным оксидам, проявляют

амфотерными металлами, амфотерными оксидами и гидроксидами: Cu(OH)2 + 2HNO3 = Cu(NO3)2 + 2H2O,

8

2Fe(OH)3 + 3SO3 = Fe2(SO4)3 + 3H2O,

2NaOH + Cu(NO3)2 = Cu(OH)2↓ + 2NaNO3,

2NaOH + Zn + 2H2O = Na2[Zn(OH)4] + H2↑,

2NaOH + ZnО = Na2ZnO2 + H2O,

2NaOH + Zn(ОН)2 = Na2ZnO2 (или Na2[Zn(OH)4]).

Кислоты

Кислоты – это химические соединения, содержащие в своем составе атомы водорода, способные замещаться на атомы металлов. Число атомов водорода определяет основность кислоты. Например, одноосновные кислоты - HCl, HNO3, двухосновные кислоты – H2SO4, H2SiO3, трехосновная кислота – H3PO4. Кислоты разделяют на кислородсодержащие (H2SO4, HNO3) и бескислородные (HCl, H2S). Названия кислот строятся от названия элементов их образующих

(приложение 2).

Кислоты образуются при взаимодействии кислотного оксида с водой: CO2 + H2O = H2CO3,

N2O5 + H2O = 2HNO3.

Кислоты вступают в реакции с основаниями, основными оксидами, солями, металлами, амфотерными оксидами:

H2SO4 + Cu(OH)2 = CuSO4 + 2H2O,

H2SO4 + CuO = CuSO4 + H2O,

H2SO4+ CuCl2 = CuSO4 + 2HCl↑,

2HCl + Zn = ZnCl2 + H2↑.

Соли

Соли – это продукты полного или неполного замещения атомов водорода кислоты на атомы металла, например: H2SO4 → Na2SO4 или NaHSO4. Возможно замещение двух или одной гидроксильных групп основания на кислотный остаток – Cu(OH)2 → Cu(NO3)2 или CuOHNO3.

Соли делят на средние (или нормальные), кислые и основные.

9

К средним солям относят продукты полного замещения атомов водорода кислоты на атомы металла Na2SO4, Cu(NO3)2.

Названия средних солей состоят из двух слов, первое из которых представляет собой название кислотного остатка (аниона) (приложение 2), второе

– название металла. Например: Ca3(PO4)2 – фосфат кальция, CuS – сульфид меди, NaNO3 – нитрат натрия.

Кислые соли являются продуктами неполного замещения атомов водорода кислоты на атомы металла. Их могут образовывать лишь многоосновные кислоты. В состав кислой соли входит кислотный остаток, содержащий хотя бы один атом водорода. Например: H2SO4 – двухосновная кислота, NaHSO4 – кислая соль:

H2SO4 → HSO4 → SO42

Если кислота трёхосновная, она может образовывать два ряда кислых солей, соответствующих замене на атомы металла одного или двух атомов водорода. Например, фосфорная кислота H3PO4 может образовывать кислые соли с двумя

Название кислой соли образуется добавлением к названию средней соли приставки «гидро-», означающей наличие незамещённого атома водорода в кислотном остатке. Если в одном кислотном остатке не замещено два атома водорода, то используется приставка «дигидро-».

Примеры: CuHPO4 – гидрофосфат меди, Ca(HCO3)2 – гидрокарбонат кальция, NaH2PO4 – дигидрофосфат натрия, Ca(H2PO4)2 – дигидрофосфат кальция.

Основные соли являются продуктами неполного замещения гидроксильных групп основания на кислотный остаток. Например: Cu(OH)2 – двухкислотное основание, Cu(NO3)2 – средняя соль, CuOHNO3 – основная соль. В этой соли количество кислотных остатков равно количеству замещённых

10