Язык неорганической химии
Степень окисления, валентность и заряд
В формуле \(\ce{CO}\) скрыто сразу несколько чисел, и олимпиада любит их путать. Углерод здесь двухвалентен? Нет: в молекуле тройная связь, и валентность углерода равна трём. Степень окисления углерода +2. А формальный заряд углерода в структуре Льюиса — минус единица. Три разных числа — потому что это ответы на три разных вопроса.
bookmarkЧетыре понятия
Заряд иона — реальный заряд частицы: \(\ce{SO4^2-}\), \(\ce{NH4+}\). Степень окисления — условный заряд атома, если считать все связи ионными (электроны каждой связи отдают более электроотрицательному атому, а связь между одинаковыми атомами делят поровну). Валентность — число связей, которые образует атом. Формальный заряд — разность между числом валентных электронов свободного атома и числом электронов, «принадлежащих» ему в структуре Льюиса: \(\text{ФЗ} = V - L - B/2\), где \(L\) — неподелённые электроны атома, \(B\) — электроны его связей.
Степень окисления удобна для учёта электронов в окислительно-восстановительных реакциях, но реальное распределение заряда она не описывает: в молекуле \(\ce{HCl}\) на атоме хлора не «−1», а лишь около −0,2 заряда электрона.
Правила расчёта степеней окисления:
- Сумма степеней окисления атомов равна заряду частицы.
- Фтор всегда −1; щелочные металлы +1, щёлочноземельные +2.
- Водород +1, но в гидридах металлов (\(\ce{NaH}\), \(\ce{CaH2}\)) −1.
- Кислород −2, но в пероксидах (\(\ce{H2O2}\), \(\ce{Na2O2}\), \(\ce{BaO2}\)) −1, в надпероксидах (\(\ce{KO2}\)) \(-\tfrac12\), в озонидах (\(\ce{KO3}\)) \(-\tfrac13\), во фторидах \(\ce{OF2}\) +2 и \(\ce{O2F2}\) +1.
Дробная степень окисления — сигнал, что атомы одного элемента в частице неравноценны, а число — среднее.
| Частица | Средняя степень окисления | Как на самом деле |
|---|---|---|
| \(\ce{Fe3O4}\) (магнетит) | +8/3 | один ион \(\ce{Fe^2+}\) и два \(\ce{Fe^3+}\) |
| \(\ce{Pb3O4}\) (сурик) | +8/3 | \(\ce{2PbO*PbO2}\): свинец +2 и +4 |
| \(\ce{S4O6^2-}\) (тетратионат) | +2,5 | два атома S в группах \(\ce{SO3}\) (+5) и два в мостике S–S (0) |
| \(\ce{S2O3^2-}\) (тиосульфат) | +2 | центральный атом +5, концевой −1 (по другому соглашению +6 и −2) |
| \(\ce{CrO5}\) | «+10» → на деле +6 | \(\ce{CrO(O2)2}\): два пероксидных мостика |
errorВалентность — не степень окисления
В \(\ce{H2O2}\) степень окисления кислорода −1, а валентность — два: у каждого атома кислорода связь с водородом и связь с другим кислородом. В \(\ce{HNO3}\) степень окисления азота +5, а валентность — четыре: пяти связей у атома второго периода быть не может.
history_eduОткуда взялись понятия
Идею «соединительной силы» атомов высказал в 1852 году английский химик Эдвард Франкленд: он заметил, что азот, фосфор и мышьяк всегда присоединяют «по три или по пять» других атомов; само слово «валентность» появилось в 1860-х годах. Римские цифры в названиях вроде «хлорид железа(III)» предложил в 1919 году немецкий химик Альфред Шток. А термин «степень окисления» стал привычным после книги американского химика Уэнделла Латимера о степенях окисления элементов и их потенциалах в водных растворах (1938).
Оксиды: от основных до кислотных
Оксиды — соединения элементов с кислородом в степени окисления −2. Их делят по тому, с чем они образуют соли.
| Тип | Примеры | С чем реагируют |
|---|---|---|
| основные | \(\ce{Na2O}\), \(\ce{CaO}\), \(\ce{MgO}\), \(\ce{FeO}\), \(\ce{CuO}\) | с кислотами и кислотными оксидами |
| кислотные | \(\ce{CO2}\), \(\ce{SO3}\), \(\ce{P4O10}\), \(\ce{SiO2}\), \(\ce{CrO3}\), \(\ce{Mn2O7}\) | со щелочами и основными оксидами |
| амфотерные | \(\ce{ZnO}\), \(\ce{Al2O3}\), \(\ce{BeO}\), \(\ce{Cr2O3}\), \(\ce{PbO}\), \(\ce{SnO2}\) | и с кислотами, и со щелочами |
| несолеобразующие | \(\ce{CO}\), \(\ce{NO}\), \(\ce{N2O}\) | с кислотами и щелочами солей не дают |
Характер оксида определяется степенью окисления элемента: чем она выше, тем оксид кислотнее. Лучшая иллюстрация — ряды хрома и марганца:
В каждом ряду первый оксид основный, средний амфотерный, последний кислотный. Причина — в строении гидроксида Э–O–H. Маленький катион с большим зарядом сильно притягивает электроны кислорода, связь O–H ослабевает, и гидроксид отдаёт протон — ведёт себя как кислота (\(\ce{H2CrO4}\), \(\ce{HMnO4}\)). Крупный однозарядный катион, наоборот, легко отрывается вместе с группой \(\ce{OH-}\) — получается щёлочь.
scienceРеакции оксидов
- \(\ce{CaO + H2O -> Ca(OH)2}\) — гашение извести, сильно экзотермично.
- \(\ce{SO3 + H2O -> H2SO4}\); \(\ce{P4O10 + 6H2O -> 4H3PO4}\).
- \(\ce{Al2O3 + 6HCl -> 2AlCl3 + 3H2O}\) и \(\ce{Al2O3 + 2NaOH + 3H2O -> 2Na[Al(OH)4]}\) — амфотерность в растворе.
- \(\ce{Al2O3 + Na2CO3 ->[t] 2NaAlO2 + CO2 ^}\) — при сплавлении образуется метаалюминат, а не гидроксокомплекс.
- \(\ce{Fe3O4 + 8HCl -> FeCl2 + 2FeCl3 + 4H2O}\) — смешанный оксид даёт сразу две соли.
- \(\ce{Pb3O4 + 4HNO3 -> 2Pb(NO3)2 + PbO2 v + 2H2O}\) — азотная кислота растворяет «PbO-часть» сурика, а тёмно-коричневый \(\ce{PbO2}\) остаётся: прямое доказательство формулы \(\ce{2PbO*PbO2}\).
- \(\ce{SiO2 + 2NaOH ->[t] Na2SiO3 + H2O}\); \(\ce{SiO2 + CaO ->[t] CaSiO3}\) — кислотный оксид реагирует с основными при сплавлении.
- \(\ce{Cr2O3 + 2NaOH ->[t] 2NaCrO2 + H2O}\) и \(\ce{CrO3 + 2KOH -> K2CrO4 + H2O}\) — амфотерный оксид хрома(III) и кислотный оксид хрома(VI).
- \(\ce{Mn2O7 + H2O -> 2HMnO4}\) — высший оксид марганца растворяется в воде с образованием марганцовой кислоты.
- \(\ce{ZnO + 2HCl -> ZnCl2 + H2O}\) и \(\ce{ZnO + 2NaOH + H2O -> Na2[Zn(OH)4]}\) — амфотерность оксида цинка.
Особняком стоят соединения, где кислород находится в «промежуточных» степенях окисления, — пероксиды (ион \(\ce{O2^2-}\)), надпероксиды (\(\ce{O2-}\)) и озониды (\(\ce{O3-}\)). Они не столько оксиды, сколько окислители и источники кислорода:
С водой они тоже реагируют не как оксиды: \(\ce{Na2O2 + 2H2O -> 2NaOH + H2O2}\), \(\ce{2KO2 + 2H2O -> 2KOH + H2O2 + O2 ^}\), а озонид калия отдаёт кислород уже при комнатной температуре: \(\ce{4KO3 + 2H2O -> 4KOH + 5O2 ^}\).
auto_awesomeВоздух из порошка
Надпероксид калия \(\ce{KO2}\) — «химический кислород» изолирующих противогазов и дыхательных аппаратов горноспасателей: выдыхаемые углекислый газ и влага выделяют из него кислород. Килограмм \(\ce{KO2}\) отдаёт около 236 л \(\ce{O2}\) — столько человек в покое потребляет примерно за 16 часов.
history_eduКак получили пероксид водорода
В 1818 году Луи Жак Тенар действовал кислотой на пероксид бария и получил «окисленную воду» — пероксид водорода. Лучше всего вышло с серной кислотой: сульфат бария уходит в осадок, и в растворе остаётся чистый \(\ce{H2O2}\). В конце XIX века этим способом пероксид водорода выпускали и на заводах.
boltКислотность по степени окисления
Не помните характер оксида — посмотрите на степень окисления: +1 и +2 у металлов обычно дают основные оксиды (исключения — амфотерные \(\ce{BeO}\), \(\ce{ZnO}\), \(\ce{PbO}\), \(\ce{SnO}\)), +3 и +4 — чаще амфотерные, +5 … +7 — кислотные, даже у металлов (\(\ce{V2O5}\), \(\ce{CrO3}\), \(\ce{Mn2O7}\)).
Кислоты, соли и их названия
Русские названия кислородных кислот образуют стройную систему. Кислота элемента в высшей или наиболее характерной степени окисления получает суффикс -н-: серная, азотная, фосфорная. На ступень ниже — -ист-: сернистая, азотистая. Для хлора, у которого четыре кислородные кислоты, добавляются -новат- и -новатист-.
| Кислота | Название | Соль | Степень окисления хлора |
|---|---|---|---|
| \(\ce{HClO}\) | хлорноватистая | гипохлорит | +1 |
| \(\ce{HClO2}\) | хлористая | хлорит | +3 |
| \(\ce{HClO3}\) | хлорноватая | хлорат | +5 |
| \(\ce{HClO4}\) | хлорная | перхлорат | +7 |
Приставки орто-, мета-, ди- (пиро-) различают кислоты с разным содержанием воды: \(\ce{H3PO4}\) — ортофосфорная, \(\ce{HPO3}\) — метафосфорная, \(\ce{H4P2O7}\) — дифосфорная (пирофосфорная). Пероксо- означает мостик –O–O–: \(\ce{H2SO5}\) — пероксомоносерная (кислота Каро), \(\ce{H2S2O8}\) — пероксодисерная. Тио- — атом серы на месте кислорода: \(\ce{Na2S2O3}\) — тиосульфат натрия.
boltНазвание соли по формуле
Найдите степень окисления центрального атома аниона и сравните с «эталоном». У галогенов: +1 — гипо…ит, +3 — …ит, +5 — …ат, +7 — пер…ат. У серы и селена: +4 — …ит, +6 — …ат. У азота: +3 — нитрит, +5 — нитрат. Так \(\ce{KBrO3}\) (Br +5) — бромат калия, \(\ce{NaIO4}\) (I +7) — периодат натрия, \(\ce{Ca(ClO)2}\) — гипохлорит кальция, \(\ce{Na2SeO3}\) — селенит натрия.
errorОсновность — не число атомов водорода
Основность кислоты равна числу атомов водорода, способных замещаться на металл, а это водороды групп O–H. В фосфористой (фосфоновой) кислоте \(\ce{H3PO3}\) = \(\ce{HPO(OH)2}\) один водород связан прямо с фосфором, поэтому она двухосновна. В фосфорноватистой (фосфиновой) \(\ce{H3PO2}\) = \(\ce{H2PO(OH)}\) таких водородов два, и она одноосновна: \(\ce{H3PO3 + 2NaOH -> Na2HPO3 + 2H2O}\), \(\ce{H3PO2 + NaOH -> NaH2PO2 + H2O}\). Соли \(\ce{Na2HPO3}\) и \(\ce{NaH2PO2}\) — средние, хотя водород в формулах есть.
Соли бывают:
- средние — все атомы водорода кислоты замещены: \(\ce{Na3PO4}\), \(\ce{K2SO4}\);
- кислые — замещены не все: \(\ce{NaHCO3}\), \(\ce{Ca(H2PO4)2}\) (основа суперфосфата);
- основные — замещены не все группы OH основания: \(\ce{(CuOH)2CO3}\) (малахит), \(\ce{Mg(OH)Cl}\);
- двойные — два разных катиона: \(\ce{KAl(SO4)2*12H2O}\) (алюмокалиевые квасцы), \(\ce{(NH4)2Fe(SO4)2*6H2O}\) (соль Мора);
- смешанные — два разных аниона: \(\ce{Ca(OCl)Cl}\) (хлорная известь);
- комплексные — со сложным ионом: \(\ce{K4[Fe(CN)6]}\) (жёлтая кровяная соль), \(\ce{Na[Al(OH)4]}\).
Какая соль получится, решает соотношение количеств реагентов. Для фосфорной кислоты и щёлочи: при \(n(\ce{NaOH}) : n(\ce{H3PO4}) = 1 : 1\) образуется \(\ce{NaH2PO4}\), при \(2 : 1\) — \(\ce{Na2HPO4}\), при \(3 : 1\) — \(\ce{Na3PO4}\), а при промежуточных соотношениях — смесь двух соседних солей.
scienceПревращения кислых и основных солей
- \(\ce{NaHCO3 + NaOH -> Na2CO3 + H2O}\) — кислая соль со щёлочью даёт среднюю.
- \(\ce{Na2CO3 + CO2 + H2O -> 2NaHCO3}\) — средняя соль с кислотным оксидом даёт кислую.
- \(\ce{Ca(HCO3)2 ->[t] CaCO3 v + CO2 ^ + H2O}\) — так растут сталактиты и появляется накипь в чайнике.
- \(\ce{2CuSO4 + 2Na2CO3 + H2O -> (CuOH)2CO3 v + 2Na2SO4 + CO2 ^}\) — из раствора выпадает не карбонат меди, а основная соль того же состава, что малахит.
- \(\ce{Cl2 + Ca(OH)2 -> Ca(OCl)Cl + H2O}\) — получение хлорной извести.
history_eduЯзык химии
В 1787 году Гитон де Морво, Лавуазье, Бертолле и Фуркруа выпустили «Метод химической номенклатуры». До этого вещества звались «купоросное масло», «печёночная сера», «цветы цинка» — по виду и происхождению. Новая система строила название из состава: сульфат, сульфит, сульфид. Буквенные символы элементов — O, H, Cu, Fe — предложил Йёнс Якоб Берцелиус в 1813–1814 годах, и уже через несколько десятилетий ими пользовались химики всего мира.
push_pinГлавное
Степень окисления — условный заряд атома при допущении, что все связи ионные; валентность — число связей; формальный заряд — учёт электронов в структуре Льюиса. В \(\ce{CO}\) валентность углерода III, степень окисления +2; в \(\ce{CrO5}\) хром +6, потому что в молекуле два пероксидных мостика. Чем выше степень окисления элемента, тем кислотнее его оксид. Суффиксы: -ат, -ит, гипо…ит, пер…ат. Основность кислоты равна числу групп O–H: \(\ce{H3PO3}\) двухосновна, \(\ce{H3PO2}\) одноосновна.
Закрепите теорию: 16 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.