Кремний - раздел Химия, ХИМИЯ
Кремний В Соединениях Имеет Степени Окисления +4 И –4. Для Н...
Кремний в соединениях имеет степени окисления +4 и –4. Для него наиболее характерны связи Si–F и Si–О.
По распространенности на Земле 20% (мол. долей) кремний уступает только кислороду. Земная кора более чем наполовину состоит из кремнезема SiO2 (главным образом в виде минерала кварца), силикатных и алюмосиликатных пород.
Простое вещество. Si (кремний) – темно-серый (кристаллический) или белый (аморфный), с металлическим блеском, весьма твердый, очень хрупкий, непрозрачный неметалл. Плавится с уменьшением объема. На воздухе образуется устойчивая оксидная пленка. В кристаллической форме – малореакционноспособный; не реагирует с водой, кислотами (включая фтороводородную), водородом. В аморфной форме – более активный; реагирует с концентрированной фтороводородной кислотой, щелочами, поглощает значительные количества Н2. При нагревании окисляется кислородом, галогенами, реагирует с галогеноводородами, аммиаком, сероводородом, сульфидами металлов. Сплавляется (но не реагирует) с Be, Al, Ga, In, Sb, Zn, Ag, Au.
Si(аморфн.) + 2H2O(пар) = SiO2 + 2H2
Si(аморфн.) + 4NaOH(конц.) = Na4SiO4 + 2H2↑
Si(аморфн.) + 6HF(конц.) = H4[SiF6] + 2H2↑
Si + 4HF(г) = SiF4 + 2H2
Si + O2(1200° C) = SiO2
Si + Hal2(в токе аргона) = SiHal4
Si + M(сплавление) = M2Si (M = Mg, Ca)
Si + 2H2S(1200° C) = SiS2 + 2H2
Получение и применение.Кремний технической чистоты (95–98%) получают в электропечах восстановлением SiO2 коксом. В лабораторных условиях в качестве восстановителя применяют магний. Необходимый для полупроводниковой техники кремний особой чистоты получают восстановлением SiCl4 водородом при высокой температуре:
SiCl4 + 2Н2 = Si + 4НCl
либо термическим разложением SiН4 или SiI4:
SiН4 = Si + 2Н2
Дополнительно кремний очищают зонной плавкой.
Кремний с соответствующими добавками служит для изготовления различных полупроводниковых устройств (выпрямителей переменного тока, фотоэлементов и пр.). Из кремниевых фотоэлементов (преобразователи световой энергии в электрическую), в частности, построены солнечные батареи, обеспечивающие питание радиоаппаратуры на космических аппаратах. Монокристаллы кремния служат матрицей для изготовления интегральных схем в микроэлектронике.
Кремний широко применяется в металлургии для раскисления сталей и придания им повышенной коррозионной стойкости. Для этих целей используется сплав кремния с железом (ферросилиций), получаемый при совместном восстановлении коксом железной руды и кремнезема. Ферросилиций очень устойчив к действию кислот, и потому используется для изготовления кислотоупорных изделий.
Кварцевый песок SiO2 в огромных количествах используют в производстве стекла, цемента, фарфора и пр. Обычное стекло получают сплавлением смеси соды Na2CO3 (или Na2SO4), известняка и кварцевого песка; при этом образуется стекло приблизительного состава Nа2O∙СаО∙6SiO2; оно нерастворимо, химически неактивно. Для придания стеклу тех или иных физико-химических свойств вводятся добавки. Так, замена кальция на свинец, а натрия на калий придает стеклу повышенный показатель преломления, большую плотность. Из свинцового стекла (хрусталя) изготовляют вазы, фужеры и пр. Добавление к стеклу соединений кобальта придает им синюю окраску, Cr2О3 – изумрудно-зеленую, соединений марганца – фиолетовую окраску и т. д.
Соединения с отрицательной степенью окисления кремния. При окислении металлов кремнием (700–1200°С) или при нагревании смеси соответствующих оксидов и кремния в инертной атмосфере образуются силициды:
2Мg + Si = Mg2Si
6МnО + 5Si = 2Мn3Si + 3SiO2
Силициды щелочных и щелочно-земельных металлов химически активны, более или менее легко разлагаются водой и особенно кислотами. Силициды с большим содержанием кремния весьма кислотоупорны, не растворяются в щелочах.
Соединения кремния (IV). Кремний в степени окисления +4 входит в соединения с галогенами SiHal4, кислородом SiO2 и серой SiS2, азотом Si3N4, углеродом SiC, водородом SiH4, образует анионные комплексы SiO32–, SiS32–, SiN22–. Из бинарных соединений кремния (IV) мономерными являются лишь тетрагалогениды SiHal4 и силан SiH4, остальные соединения полимерны. Полимерные соединения характеризуются высокой температурой плавления и химической устойчивостью; мономерные соединения, наоборот, легкоплавки, химически активны.
По химической природе бинарные соединения Si (IV) являются кислотными. Так, большинство из них взаимодействует со щелочами (в растворах и особенно при сплавлении):
SiO2 + Са(ОН)2(сплавление) = СаSiO3 + Н2О
SiH4 + 2КОН + Н2О = К2SiO3 + 4Н2
При гидролизе они образуют кислоты:
SiCl + 3Н2О = H2SiO3 + 4НCl
В гидридах кремния (силанах) обнаруживаются гомоцепи гомологического ряда SinH2n+2. Силаны (SiH4, Si2H5, Si3H8 до Si8H18) по составу и физическим свойствам сходны с соответствующими углеводородами.
Силаны получают косвенным путем (c водородом кремний непосредственно не взаимодействует), например, действием кислот на некоторые силициды:
Mg2Si + 2H2SO4 = SiH4↑ + 2MgSO4
Диоксид кремния SiO2 (кремнезем) очень тверд и химически стоек. На него действуют лишь фтор, фтороводородная кислота и газообразный HF, а также растворы щелочей и фосфорная кислота. Так как SiO2 с водой практически не взаимодействует, кремниевые кислоты получают действием кислот на растворы оксосиликатов или гидролизом некоторых соединений Si (IV) (галогенидов, сульфида и др.).
Na2SiO3 + 2HCl = H2SiO3 + 2NaCl
Образующаяся кремниевая кислота состава xSiO2∙yH2O выделяется из раствора в виде студенистого осадка или остается в коллоидном состоянии. В свободном состоянии кремниевые кислоты – метакремниевую H2SiO3, ортокремниевую H4SiO4; поликремниевые кислоты выделить не удается.
Нагревая осадки поликремниевых кислот, постепенно их обезвоживая, можно получить тонкодисперсный SiO2 – силикагель, применяемый в качестве адсорбента.
Кроме неорганических соединений кремния большое значение имеют кремнийорганические соединения. В зависимости от характера цепи и природы радикалов среди кремнийорганических соединений встречаются смолы, каучуки, масла и др. Общее свойство полимерных кремнийорганических соединений – относительно высокая теплостойкость (до 600°С).
Подгруппа германия(германий, олово, свинец)
Для германия наиболее характерна степень окисления +4, для свинца +2; в соединениях олова различие в степенях окисления проявляется менее резко, но производные олова (IV) более устойчивы.
Германий – рассеянный элемент, не образует больших скоплений и в основном сопутствует природным силикатам и сульфидам, содержится в некоторых углях. Основными минералами олова являются касситерит (оловянный камень) SnO2 и станнин (оловянный колчедан) Cu2S∙FeS∙SnS2, свинца – галенит (свинцовый блеск) PbS, а также англезит PbSO4, церуссит PbCO3 и др. Свинец как конечный продукт радиоактивного распада U и Th содержится в урановых и ториевых минералах.
Простые вещества. В электрохимическом ряду напряжений Ge расположен после водорода, а Sn и Pb находятся непосредственно перед водородом. Поэтому германий с разбавленными кислотами типа HCl и H2SO4 не взаимодействует. Вследствие образования на поверхности нерастворимых солей PbCl2 и PbSO4 свинец устойчив по отношению к разбавленным HCl и H2SO4.
Ge (германий) – светло-серый, хрупкий, твердый металл. Во влажном воздухе покрывается оксидной пленкой. Малореакционноспособный; не реагирует с водой, разбавленными кислотами, щелочами, гидратом аммиака. Реагирует с концентрированной серной и азотной кислотами, переводится в раствор действием пероксида водорода в присутствии щелочей. Реагирует с кислородом, галогенами, халькогенами, аммиаком, фторо- и сероводородом.
Ge + 4H2SO4(конц.) = Ge(SO4)2 + 2SO2↑ + 4H2O
Ge + 4HNO3(конц.) = GeO2↓ + 4NO2↑ + 2H2O
Ge + 2NaOH(конц.) + 2H2O2 = Na2GeO3 + 3H2O
Ge + 2NaOH(разб.) + 2H2O2 = Na2[Ge(OH)6]
Ge + O2(свыше 700°С) = GeO2
Ge + 2Hal2(нагр.) = GeHal4
3Ge + 4NH3 = Ge3N4 + 6H2
Sn (олово) – серебристо-серый, очень мягкий, низкоплавкий, высококипящий металл, тягучий при температуре выше 14°С (β-модификация, белое олово). Ниже +13,2°С рассыпается в серый порошок (α-модификация, серое олово). Не реагирует с водой, гидратом аммиака. Проявляет амфотерные свойства; реагирует с кислотами, концентрированными щелочами; окисляется галогенами, кислородом, халькогенами.
Sn + 2HCl(конц.) = H[SnCl3] + H2↑
Sn + 2HCl(г) = SnCl2 + H2↑
Sn + 2H2SO4(конц.) = SnSO4 + SO2↑ + 2H2O
Sn + 4HNO3(конц., кип.) = SnO2↓ + 4NO2↑ + 2H2O
5Sn + 12HNO3(разб.) = 5Sn(NO3)3 + N2↑ + 6H2O
Sn + NaOH(конц., хол.) + 2H2O = Na[Sn(OH)3] + 2H2↑
Sn + 2NaOH(конц., кип.) + 4H2O = Na2[Sn(OH)6] + 2H2↑
Sn + O2(200° С) = SnO2
Sn + 2Hal2 = SnHal4
Pb (свинец) – серый с голубым оттенком, тяжелый, очень мягкий, ковкий, пластичный, низкоплавкий металл. На воздухе покрывается устойчивой оксидной пленкой. Малореакционноспособный; пассивируется в воде, хлороводородной кислоте, разбавленной серной кислоте, концентрированной азотной кислоте. Не реагирует с гидратом аммиака. Слабый восстановитель; переводится в раствор концентрированной серной кислотой, разбавленной азотной кислотой; окисляется кислородом, галогенами, халькогенами.
Pb + 3H2SO4(> 80%; 30-50° С) = Pb(HSO4)2 + SO2↑ + 2H2O
Pb + 2H2SO4(конц., кип.) = PbSO4↓ + SO2↑ + 2H2O
Pb + 8HNO3(конц., гор.) = Pb(NO3)2 + 2NO↑ + 4H2O
Pb + 2NaOH(конц.) + 2H2O = Na2[Pb(OH)4] + H2↑
2Pb + O2(600° С) = 2PbO
3Pb + 2O2(400-500° С) = Pb2+2Pb+4O4 (Pb3O4)
Pb + 2Hal2(200-500° С) = PbHal4
Получение и применение.Германий получают из побочных продуктов переработки руд цветных металлов, а также выделяют из золы, полученной от сжигания некоторых видов угля, из отходов коксохимического производства. Соединения Ge переводят в GeO2, восстанавливая затем водородом. Дополнительно очищают германий зонной плавкой.
Олово получают восстановлением касситерита углем. Большое значение имеет регенерация (обратное получение) олова за счет растворения его покрытий на железе (старые консервные банки), в щелочах и последующего выделения из раствора электролитическим путем. Для получения свинца галенит переводят в PbO, который также восстанавливают углем.
Основная масса германия расходуется в полупроводниковой технике. Олово используется главным образом для лужения железа – получения белой жести, которая расходуется в основном в консервной промышленности. Из свинца делают аккумуляторные пластины, обкладки электрических кабелей, свинец применяется для защиты от радиоактивных и рентгеновских излучений, в качестве коррозионно-стойкого материала используется в химической промышленности.
Из сплавов олова и свинца важнейшими являются типографские (84–62% Pb, 4–8% Sn, 10–25% Sb, 2–4% As), подшипниковые (80–60% Pb или Sn с добавками Pb и Cu), легкоплавкие припои (80–60% Pb, 17–40% Sn, до 2,5% Sb или 90–50% Sn, остальное Pb).
Свинцовый сурик Pb3O4 (оранжево-красного цвета) применяется в производстве красок, предохраняющих металлы от коррозии, для приготовления высокотемпературных замазок, в качестве окислителя и др.
Оксид свинца (II) РbО применяется в производстве оптического стекла, хрусталя, глазурей и олиф; PbCrO4 (оранжево-красного цвета) входит в состав минеральных красок; 2РbСО3∙Рb(ОН)2 используется для изготовления свинцовых белил.
Соединения германия, олова и свинца (–IV). Германий и его аналоги образуют с магнием соединения состава Мg2Э, соответственно германид Mg2Ge, станнид Mg2Sn и плюмбид Mg2Pb. Также типичны металлические соединения олова и свинца с s-элементами, например, Nа2Sn, NaSn.
Соединения германия, олова и свинца (IV). Известны оксиды ЭО2, фториды ЭF4 и хлориды ЭCl4 (РbCl4 крайне неустойчив). Для Ge (IV) и Sn (IV) известны еще бромиды ЭВr4, иодиды ЭI4, сульфиды ЭS2 и нитриды Э3N4.
Диоксиды ЭО2 химически малоактивны, в воде не растворяются. GеО2 (подобно SiO2) – кислотное соединение, растворяется в горячих щелочах; SnO2 – амфотерен, при продолжительном нагревании с концентрированной H2SO4 дает Pb(SO4)2. Диоксиды олова и свинца при сплавлении взаимодействуют со щелочами или соответствующими оксидами c образованием соединений состава M2+1ЭО3 и M+2ЭО3, М4+1ЭО4 и М2+2ЭО4:
2СаО + PbO2 = Са2РbO4
2РbО + РbO2 = Pb2+2Pb+4O4 (Pb3O4)
Германиевые, оловянные и свинцовые кислоты в индивидуальном состояний выделить весьма трудно. При их получении обычно образуются осадки с переменным и неопределенным составом: ЭО2∙пН2O.
Молекулы тетрагалогенидов химически активны; их гидролиз протекает последовательно через стадии присоединения воды и отщепления молекул галогеноводородов, вплоть до образования гидроксидов:
SnCl4 + 4Н2O = Sn(ОН)4 + 4НCl
Тетрагалогениды взаимодействуют также с основными галогенидами:
2KF + ЭF4 = K2[ЭF6]
Гидриды элементов подгруппы германия немногочисленны (герман GeH4, станнан SnH4, плюмбан ?PbH4) и малоустойчивы. Они выделяются при действии разбавленных кислот на некоторые германиды и станниды:
Мg2Э + 4HCl(в воде) = 2МgСl2 + ЭН4
Соединения Рb (IV) – сильные окислители, в особенности в кислой среде. Так, даже окисляют Мn до МnО2:
2Мn2+ + 5РbO2 + 4Н+ = 5Pb2+ + 2МnО– + 2Н2О
Соединения германия (II), олова (II) и свинца (II). Степень окисления +2 наиболее характерна для свинца и олова, а для германия (II) известны лишь немногочисленные бинарные соединения.
Оксиды ЭО и гидроксиды Э(ОН)2 амфотерны; они взаимодействуют как с кислотами, так и со щелочами:
Э(ОН)2 + 2НCl = ЭCl2 + 2Н2О
Э(ОН)2 + NаОН = Nа2[Э(ОН)3]
Гидроксостаннаты (II) и гидроксоплюмбаты (II) в растворах существуют лишь при избытке щелочи. В кристаллическом состоянии выделены соли Na[Sn(OH)3], Na[Pb(OH)3].
Производные Gr (II) и Sn (II) – сильные восстановители. Так, они реагирует с Cl2, переводят Fe3+ в Fe2+, CrO42– в Cr3+ и т. д.
Подгруппа титана (титан, цирконий, гафний, резерфордий)
Для титана и его аналогов наиболее характерна степень окисления +4, но известны также соединения Ti (III) и реже Ti (II).
В земной коре титан довольно распространен, встречается главным образом в виде минералов рутила TiО2, ильменита FeTiО3 и перовскита СаТiО3. Цирконий и гафний – рассеянные элементы; наиболее важные минералы циркония – циркон ZrSiО4 баддалеит ZrО2. Гафний самостоятельных минералов на образует и всегда сопутствует цирконию.
Простые вещества. Ti (титан) – белый, пластичный, легкий металл (хрупкий – с примесями TiN, TiO2, TiC), обладает высокой коррозионной стойкостью. В обычных условиях устойчив на воздухе, при нагревании покрывается оксидно-нитридной пленкой. В виде тонкодисперсного порошка пирофорен. Пассивируется в воде, разбавленных серной и азотной кислотах. Не реагирует с разбавленными щелочами, гидратом аммиака. Реагирует с водяным паром, хлороводородной и фтороводородной кислотами, концентрированной серной и азотной кислотами, концентрированными щелочами, галогенами, халькогенами, фосфором, углеродом, кремнием. При умеренном нагревании энергично поглощает Н2.
Ti + 2H2O(пар) = TiO2 + 2H2
2Ti + 6HCl(конц., гор.) = 2TiCl3 + 3H2↑
2Ti + 6H2SO4(конц., гор.) = 2Ti2(SO4)3 + 3SO2↑ + 6H2O
Ti(порошок) + 2NaOH(конц., гор.) + H2O = Na2TiO3↓ + 2H2↑
Ti + H2(до 400° С) = TiH2
Ti + O2(до 400° С) = TiO2
Ti + 2Cl2(выше 300° С) = TiCl4
Ti + 2Э2(400-600° С) = TiЭ2, TiЭ3, TiЭ4 (Э = Br, I)
Zr (цирконий) и Hf (гафний) – белые, пластичные, тугоплавкие, достаточно тяжелые металлы. На воздухе устойчивы. В виде тонкодисперсного порошка пирофорны. Устойчивы к коррозии в агрессивных средах. Не реагируют с хлороводородной кислотой, щелочами (даже в расплаве), гидратом аммиака. Переводятся в раствор действием концентрированной серной кислоты, фтороводородной кислоты, «царской водки». Реагируют при нагревании с кислородом, галогенами, серой, азотом. Цирконий поглощает заметные количества Н2 и О2.
Э + 2H2O(пар, выше 300° С) = ЭO2 + 2H2 (где Э = Zr, Hf)ородной и кремнием. ентрированной серной и азотной кислотами, концентрированными щ
Э + 4H2SO4(конц.) = H2[ЭO(SO4)2] + 2SO2↑ + 3H2O
Э + 4HF(конц.) + H2O = H2[ЭOF4] + 2H2↑ородной и кремнием. ентрированной серной и азотной кислотами, концентрированными щ
Э + H2(100–350° С) = ЭH2
Э + O2(700° С) = ЭO2
Э + 2Hal2(200–400° С) = ЭHal4
Rf (резерфордий) – радиоактивный металл, наиболее долгоживущий изотоп 261Rf (Т½ = 65 сек.). Химический аналог гафния. Реагирует с хлором, образует в растворе анионные комплексы. Другие химические свойства не изучены. До 1997 г. имел название и символ курчатовий Ku.
Получение и применение.Титан и цирконий получают магнийтермическим и натрийтермическим восстановлением расплавленных тетрагалогенидов в атмосфере аргона или гелия:
TiCl2 + 2Mg = 2MgCl2 + Ti
K2[ZrF6] + 4Na = 4NaF + 2KF + Zr
Металлы высокой степени чистоты получают термическим разложением тетраиодидов ЭI4 при высокой температуре в вакууме. Гафний получают аналогично.
Промышленно важны сплавы титана и циркония с железом – ферротитан и ферроцирконий (15-20% Ti или Zr), получаемые путем совместного восстановления углем минералов титана или циркония и железных руд.
Титан благодаря легкости, высокой термической и коррозионной устойчивости – важный конструкционный материал. Он используется для строительства самолетов, подводных лодок, химических реакторов и пр. Цирконий (освобожденный от гафния) и его некоторые сплавы применяются в атомной энергетике в качестве конструкционных материалов, отражающих нейтроны. Гафний также используется в атомной энергетике, но как поглотитель нейтронов; применяется в электронной технике (катоды телевизионных трубок). Добавка к стали 0,1% Ti придает ей твердость и эластичность. Подобные стали используются для изготовления рельсов, вагонных осей, колес и пр. Стали с добавкой циркония отличаются повышенной твердостью и вязкостью и применяются для изготовления бронебойных плит и щитов.
Металлические и металлоподобные соединения.Титан, цирконий и гафний образуют непрерывные твердые растворы друг с другом и со многими переходными металлами (Sc, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu и др.).
Характерной особенностью элементов подгруппы титана является образование твердых растворов и фаз внедрения с легкими неметаллами (H, B, C, N, O). Титан и его аналоги обладают способностью сильно поглощать водород, и фазам внедрения отвечают номинальные составы ЭН и ЭН2. Фазы внедрения образуются при взаимодействии титана, циркония и гафния с углеродом и азотом (карбиды ЭС и нитриды ЭN). Сплав состава 20% HfC и 80% ТаС – самый тугоплавкий из всех известных материалов (т. пл. 4215°С).
Соединения титана (IV), циркония (IV), гафния (IV). Для титана и его аналогов известны тетрагалогениды ЭНаl4, диоксиды ЭО2, гидроксиды Э(OH)4 или ЭО2∙nH2O, дисульфиды ЭS2 и дисульфаты Э(SО4)2 и т.п. Кроме того, известны многочисленны производные анионных комплексов Э (IV) – титанаты, цирконаты и гафнаты, например: [ЭHal6]2–, [Э(SO4)3]2–.
Диоксиды ЭО2 химически довольно инертны; лишь при длительном нагревании медленно взаимодействуют с кислотами, а при сплавлении со щелочами. Соответствующие оксидам гидратные формы могут быть получены только косвенным путем:
ЭCl4 + 4NaOH = Э(OH)4↓ + 4NaCl
Гидроксиды Э(OH)4 амфотерны; однако для Ti(OH)4 и оснóвные, и особенно кислотные свойства выражены очень слабо; со щелочами взаимодействуют только при сплавлении, образуя орто- и мета-формы солей. Например, К4TiO4 – ортотитанат калия, Na2ZrO3 – метацирконат натрия.
При взаимодействии оксидов или гидроксидов с кислотами образуются не средние соли, а соответствующие оксо- и гидроксопроизводные, типа ЭОХ2 (где X = Cl–, Br–, I–, NO3–):
Ti(OH)4 + 2НCl = TiOCl2 + 3H2O
TiO2 + H2SO4 = TiOSO4 + H2O
Соединения титана (III). Производные Ti (III) получают восстановлением соединений Ti (IV), так:
2TiО2 + Н2 = Ti2О3 + Н2О
2TiCl4 + H2 = 2TiCl3 + 2HCl
При электрохимическом или химическом восстановлении соединений Ti (IV) в водных растворах образуется фиолетовый аквакомплекс [Ti(H2O)6]3+.
Ti(OH)3 обладает только оснóвными свойствами. Производные Ti (III) неустойчивы и являются сильными восстановителями, окисляясь в растворах кислородом воздуха:
2Ti(OH)3 + O2 + 2H2O = 2Ti(OH)4 + 2H2O2
Возможны также реакции диспропорционирования. Так, при нагревании до 400°С TiCl3 распадается:
2Ti+3Cl3 = Ti+2Cl2 + Ti+4Cl4↑
При дальнейшем нагревании TiCl2 также диспропорционирует:
2TiCl2 = Ti + TiCl4↑
Все темы данного раздела:
Часть I. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
Глава 1. Основные понятия и законы химии................................................................................... 3
Глава 2. Строение атома и периодический закон.................
Часть II. НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
Глава 11. Важнейшие классы неорганических соединений...................................................... 55
Глава 12. Элементы I группы (водород, литий, натрий, подгруппа
Часть III. ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
Глава 20. Общая характеристика органических соединений..................................................... 124
Глава 21. Алканы............................................
Основные положения атомно-молекулярной теории
1. Все вещества состоят из молекул. Молекула – наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами.
2. Молекулы состоят из атомов. Атом – наименьшая частица
Закон эквивалентов – для молекулярных соединений количество составляющих элементов пропорционально их химическим эквивалентам.
Эквивалент (Э)– частица вещества, которая в данной кислотно-основной реакции эквивалентна одному иону водорода или в данной окислительно-восстановительной реакции одно
Газовые законы
Изучение свойств газообразных веществ и химических реакций с участием газов сыграло настолько важную роль в становлении атомно-молекулярной теории, что газовые законы заслуживают сп
Закон Шарля: при постоянном объеме давление газа изменяется прямо пропорционально абсолютной температуре.
Р1 / Т1 = Р2 / Т2, или Р/Т = const.
Эти три закона можно объединить в один универсальный газовый зако
Модели строения атома
Прямым доказательством сложности строения атома было открытие самопроизвольного распада атомов некоторых элементов, названное радиоактивностью (А. Беккерель, 1896 г.). Последовавшее за этим
Квантовые числа электронов
Главное квантовое число п определяет общую энергию электрона на данной орбитали (п = 1, 2, 3, ...). Главное квантовое число для атомов изве
Электронные конфигурации атомов
Так как при химических реакциях ядра реагирующих атомов остаются без изменения (за исключением радиоактивных превращений), то химические свойства атомов зависят от строения их эле
Принцип Паули или запрет Паули (1925 г.): в атоме не может быть двух электронов, обладающих одинаковыми свойствами.
Поскольку свойства электронов характеризуются квантовыми числами, принцип Паули часто формулируется так: в атоме не может быть двух электронов, у которых все четыре квантовых числа были бы один
Ядро атома и радиоактивные превращения
Наряду с химическими реакциями, в которых принимают участие только электроны, существуют различные превращения, в которых изменению подвергаются ядра атомов (ядерные реакции).
Периодический закон
Открытый в 1869 г. Д.И. Менделеевым Периодический закон представляет собой один из фундаментальных законов в современном естествознании. Расположив все элементы в порядке возрастания атомных масс Д
Валентность и степень окисления
Способность атома химического элемента присоединять или замещать определенное число атомов другого элемента с образованием химической связи называется валентностью элемента.
Ковалентная связь – связь, осуществляемая за счет образования электронных пар, в одинаковой мере принадлежащих обоим атомам.
Н·+ ·Н® Н : Н или Н – Н
Связью называют связь, возникающую при обобществлении электронных облаков двух атомов, если облака перекрываются по линии, соединяющей атомы.
Но в молекуле ацетилена в каждом из атомов углерода содержится еще по два р-электрона, которые не принимают участия в образовании σ-связей. Молекула ацетилена имеет плоский лине
Связью можно назвать ковалентную связь, образованную при перекрывании атомных орбиталей вне линии, соединяющей атомы.
σ-связи являются более прочными, чем π-связи, чем объясняется большая реакционная способность непредельных углеводородов по сравнению с предельными.
Еще один вид г
Ионная связь
Ионная связь – электростатическое притяжение между ионами, образованными путем полного смещения электронной пары к одному из атомов.
Na+
Металлическая связь
Металлы объединяют свойства, имеющие общий характер и отличающиеся от свойств других веществ. Такими свойствами являются сравнительно высокие температуры плавления, способность к
Межмолекулярные взаимодействия
Электрически нейтральные атомы и молекулы способны к дополнительному взаимодействию друг с другом.
Водородная связь – связь между положительно з
Единицы измерения температуры Т, давления р и объема V.
При измерении температуры чаще всего используются две шкалы. Абсолютная шкала температур использует в качестве единицы измерения кельвин (К). В абсолютной шкале нулевая точка (0 К) н
Химическая термодинамика
Химическая термодинамика отвечает на вопросы о принципиальной возможности протекания данной химической реакции в определенных условиях и о конечном равновесном состоянии системы
Реакции, в результате которых энтальпия возрастает (ΔН > 0) и система поглощает теплоту извне (Qp < 0) называются эндотермическими.
Так, окисление глюкозы кислородом происходит с выделением большого количества теплоты (Qp = 2800 кДж/моль), т.е. этот процесс – экзотермический. Соответствующее термохимическое у
Скорость химической реакции определяется количеством вещества, прореагировавшего в единицу времени в единице объема.
v = ∆С / ∆τ моль/(л·с)
Скорость реакции зависит от природы реагирующих веществ и от условий, в которых реакция протекает. Важнейшими из них являются
Обратимые и необратимые реакции. Состояние химического равновесия
Химическая реакция не всегда «доходит до конца», т.е. исходные вещества не всегда полностью превращаются в продукты реакции. Это происходит потому, что по мере накопления продуктов
Состояние, в котором скорость обратной реакции становится равной скорости прямой реакции, называется химическим равновесием.
Состояние химического равновесия обратимых процессов количественно характеризуется константой равновесия.
Так для обратимой химической реакции: aА + bВ
Идеальные и реальные растворы. Растворение как физико-химический процесс
Известны две основные теории растворов: физическая и химическая.
Физическая теория растворов предложена Вант-Гоффом и Аррениусом. Согласно этой теории, растворител
Зависимость растворимости различных веществ от природы растворителя, температуры и давления
Растворимость веществ в различных растворителях, например в воде, колеблется в широких пределах. Если в 100 г воды при комнатной температуре растворяется более 10 г веще
Законы разбавленных растворов
При растворении в растворителе нелетучего вещества давление пара растворителя над раствором уменьшается, что вызывает повышение температуры кипения раствора и понижение температуры
Способы выражения концентрации (состава) растворов
Количественный состав раствора чаще всего выражается с помощью понятия «концентрации», т.е. содержание растворенного вещества в единице массы или объема. 1.
1.
Электролиты и электролитическая диссоциация
Растворы, проводящие электрический ток, называются растворами электролитов.Существуют две основные причины прохождения электрического тока через проводники: либо за счет перен
Оптические и молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем
Оптическое свойство коллоидных систем – опалесценция, т.е. рассеивание света малыми частицами, приводящее, в частности, к возникновению эффекта Фарадея-Тиндал
Поверхностные и адсорбционные явления
Различия состава и строения соприкасающихся фаз, а также характера молекулярных взаимодействий в их объеме обуславливают возникновение своеобразного молекулярного силового поля на поверхности разде
Коллоидные (коллоидно-дисперсные) системы
Коллоидные системы (золи) – это гетерогенные системы, состоящие из частиц размером порядка 10–7–10–9 м. По размеру частиц коллоидные системы занимают п
Окислительно-восстановительные реакции –реакции, сопровождающиеся изменением степени окисления элементов, входящих в состав реагирующих веществ.
Степень окисления – условный заряд атома в молекуле, вычисленный из предположения, что молекула состоит из ионов и в целом электронейтральна.
Вещество, в состав
Химические источники электрической энергии. Электродные потенциалы
Электрохимическую реакцию окисления-восстановления можно провести так, что электроны будут переходить от восстановителя к окислителю в виде электрического тока, т.е. будет происходить превращение х
Коррозия металлов
Коррозия – разрушение металлов в результате химического или электрохимического воздействия окружающей среды. Коррозия – самопроизвольный процесс, протекающий с уменьшением с
Электролиз
Электролиз – окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при пропускании постоянного электрического тока через раствор или расплав электроли
Электролиз расплавов электролитов
Схема записи электролиза расплава электролита:
KtAn ↔ Ktn+ + Anm–
Катод– | Ktn+
Электролиз водных растворов электролитов
Электролиз растворов отличается от электролиза расплавов электролитов наличием молекул воды, которые также могут участвовать в окислительно-восстановительных реакциях электролиза. Вследствие своей
Восстанавливается вода Восстанавливается вода и катионы металла Восстанавливается катионы металла
Анодный процесс:
1. На нерастворимых анодах при конкуренции аниона бескислородных кислот (Cl–, Br–, I–, S2–
Качественный анализ
Задача качественного анализа –определение химического состава исследуемого соединения.
Качественный анализ проводят химическими, физическими и физико-химическим
Количественный анализ
Задача количественного анализа– определение количественного содержания химических элементов (или их групп) в соединениях.
Методы количественного ана
Кислоты
Кислотой называется соединение, образующее при диссоциации в водном растворе из положительных ионов только ионы водорода Н+(по теории электролитич
Водород
Водород – первый элемент и один из двух представителей I периода Периодической системы. Атом водорода состоит из двух частиц – протона и электрона, между которыми существуют лишь силы притяжения. В
Бериллий
Во всех устойчивых соединениях степень окисления бериллия +2.
Содержание бериллия в земной коре невелико. Важнейшие минералы: берилл Be3Al2(SiO
Алюминий
Алюминий – типичный амфотерный элемент, для него наиболее типична степень окисления +3. В отличие от бора для него характерны не только анионные, но и катионные комплексы.
Лантаноиды
В семейство лантаноидов входят церий Се 4f25s25p65d06s2, празеодим Pr 4f3, неодим Nd 4f4, прометий
Актиноиды
В семейство актиноидов входят торий Th 5f06s26p66d27s2, протактиний Pr 5f2 6d17s2
Углерод
В большинстве неорганических соединений углерод проявляет степени окисления –4, +4, +2.
В природе содержание углерода составляет 0,15% (мол. доли) и находится в основном в
Кислород
Подобно фтору, кислород образует соединения почти со всеми элементами (кроме гелия, неона и аргона). Степень окисления кислорода в подавляющем большинстве соединений равна –2. Кром
Формулы органических соединений
Молекулярная формула отражает качественный и количественный элементный состав вещества. В молекулярной формуле сначала пишут атомы углерода, затем - атомы водорода, затем -
Номенклатура органических соединений
В настоящее время признана систематическая номенклатура ИЮПАК (IUРАС – Международный союз теоретической и прикладной химии). Среди вариантов
Изомерия органических соединений
Изомерия – существование разных веществ с одинаковой молекулярной формулой. Данное явление обусловлено тем, что одни и те же атомы могут по-разному соединят
И реакционная способность органических соединений
Химические свойства атомов, входящих в молекулы, меняются в зависимости от того, с какими другими атомами они связаны. Наиболее сильно влияют друг на друга непосредственно связанные атомы, однако
Общая характеристика органических реакций
В основу классификации органических реакций могут быть положены различные принципы.
I. Классификация химических реакций по результату химического превращения:
1.
Промышленное производство органических соединений
Возрастающая роль органических соединений в современном мире вызывает потребность в создании промышленного производства, способного производить их в достаточном количестве. Для такого производства
Номенклатура и изомерия
Алканы являются насыщенными, или предельными, углеводородами, поскольку все свободные валентности атомов углерода заняты (полностью «насыщены») атомами водорода. Простейшим пр
Физические свойства
В обычных условиях первые четыре члена гомологического ряда алканов (C1 – С4) – газы. Нормальные алканы от пентана до гептадекана (C5 – С17 ) – жидкости
Способы получения
Основные природные источники алканов – нефть и природный газ. Различные фракции нефти содержат алканы от C5H12 до С30Н62. Природный газ состоит из метан
Химические свойства
В обычных условиях алканы химически инертны. Они устойчивы к действию многих реагентов: не взаимодействуют с концентрированными серной и азотной кислотами, с концентрированными и расплавленными ще
Номенклатура и изомерия
Циклоалканы – это предельные циклические углеводороды. Простейшие представители этого ряда:
Обща
Химические свойства
Похимическим свойствам малые и обычные циклы существенно различаются между собою. Циклопропан и циклобутан склонны к реакциям присоединения, т.е. сходны в этом отношении с алкенами. Циклопентан и
Номенклатура и изомерия
Алкенами называют непредельные углеводороды, молекулы которых содержат одну двойную связь. Первый представитель этого класса – этилен СН2=СН2,
Получение
В природе алкены встречаются редко. Поскольку алкены являются ценным сырьем для промышленного органического синтеза, разработаны многие способы их получения.
1. Основным промышленным исто
Химические свойства
Химические свойства алкенов определяются наличием в их молекулах двойной связи. Электронная плотность π-связи достаточно подвижна и легко вступает в реакции с электрофильными
Применение
Низшие алкены – важные исходные вещества для промышленного органического синтеза. Из этилена получают этиловый спирт, полиэтилен, полистирол. Пропен используют для синтеза полипропилена, фенола,
Номенклатура и изомерия
Алкадиены – непредельные углеводороды, содержащие две двойные связи. Общая формула алкадиенов СnН2n-2.
Если двойные связи разделены в углеродной цеп
Получение
Основной промышленный способ получения диенов – дегидрирование алканов. Бутадиен-1,3 (дивинил) получают из бутана:
Химические свойства
Для алкадиенов характерны обычные реакции электрофилъного присоединения АЕ, свойственные алкенам. Особенность сопряженных диенов состоит в том, что две двойные связи в их
Номенклатура и изомерия
Алкинами называют непредельные углеводороды, молекулы которых содержат одну тройную связь. Общая формула гомологического ряда алкинов СnН2
Физические свойства
Физические свойства алкинов похожи на свойства алканов и алкенов. При обычных условиях (С2 – С4) – газы, (C5 – C16) – жидкости, начиная с С17
Получение
1. Общий способ получения алкинов – отщепление двух молекул галогеноводорода от дигалогеналканов, которые содержат два атома галогена либо у соседних, либо у одного атома углерода, под
Химические свойства
Химические свойства алкинов обусловлены наличием в их молекулах тройной связи. Типичными реакциями для ацетилена и его гомологов являются реакции электрофильного присоединения АE
Применение
На основе ацетилена развились многие отрасли промышленности органического синтеза. Выше уже отмечена возможность получения уксусного альдегида из ацетилена и различных кетонов из гомологов ацетиле
Номенклатура и изомерия
Ароматическими углеводородами (аренами) называют вещества, в молекулах которых содержится одно или несколько бензольных колец – циклических групп атомов углерода с ос
Физические свойства
Первые члены гомологического ряда бензола – бесцветные жидкости со специфическим запахом. Они легче воды и в ней не растворимы. Хорошо растворяются в органических растворителях и сами являются хор
Способы получения
1. Получение из алифатических углеводородов. Для получения бензола и его гомологов в промышленности используют ароматизацию предельных углеводородов, входящих в состав нефти. При про
Химические свойства
Ароматическое ядро, обладающее подвижной системой π-электронов, является удобным объектом для атаки электрофильными реагентами. Этому способствует также пространственное расположение π-
Правила ориентации (замещения) в бензольном кольце
Важнейшим фактором, определяющим химические свойства молекулы, является распределение в ней электронной плотности. Характер распределения зависит от взаимного влияния атомов.
В молекулах
Применение
Ароматические углеводороды – важнейшее сырье для синтеза ценных веществ. Из бензола получают фенол, анилин, стирол, из которых, в свою очередь, получают фенолформальдегидные смолы, красители, полис
Номенклатура и изомерия
Общая формула гомологического ряда предельных одноатомных спиртов – CnH2n+1OH. В зависимости от того, при каком углеродном атоме находится гидроксильная гру
Получение
1. Общий способ получения спиртов, имеющий промышленное значение, – гидратация алкенов. Реакция идет при пропускании алкена с парами воды над фосфорнокислым катализатором (H3PO
Химические свойства
Химические свойства спиртов определяются присутствием в их молекулах группы -ОН.
Связи С–О и О–Н сильно полярны и способны к разрыву. Различают два основных типа реакций спиртов с участие
Реакции с разрывом связи О–Н.
1. Кислотные свойства спиртов выражены очень слабо. Низшие спирты бурно реагируют со щелочными металлами:
Реакции с разрывом связи С–О.
1) Реакции дегидратации протекают при нагревании спиртов с водоотнимающими веществами. При сильном нагревании происходит внутримолекулярная дегидратация с образованием алкенов:
Применение
Спирты главным образом используют в промышленности органического синтеза.
Метиловый спиртСН3ОН – ядовитая жидкость температурой кипения 65°С, легко смешивается
Химические свойства
Для двух- и трехатомных спиртов характерны основные реакции одноатомных спиртов. В реакциях могут участвовать одна или две гидроксильные группы. Взаимное влияние гидроксильных групп проявляется в
Применение
Этиленгликоль применяют для синтеза полимерных материалов и в качестве антифриза. В больших количествах его используют также для получения диоксана, важного (хотя и токсичного) лабораторно
Физические свойства
Фенолы в большинстве своем – кристаллические вещества (мета-крезол – жидкость) при комнатной температуре. Они обладают характерным запахом, довольно плохо растворимы в холодной воде,
Способы получения
1. Получение из галогенбензолов. При нагревании хлорбензола и гидроксида натрия под давлением получают фенолят натрия, при дальнейшей обработке которого кислотой образуется фенол:
Химические свойства
В фенолах p-орбиталь атома кислорода образует с ароматическим кольцом единую π-систему. Вследствие такого взаимодействия электронная плотность у атома кислорода уменьшается, а в бензольном кол
Номенклатура и изомерия
Органические соединения, в молекуле которых имеется карбонильная группа, называют карбонильным
Получение
1. Гидратация алкинов. Из ацетилена получают альдегид, из его гомологов – кетоны:
Из-за
Химические свойства
Химические свойства альдегидов и кетонов определяются тем, что в состав их молекул входит карбонильная группа с полярной двойной связью.
Альдегиды и кетоны – химически активные соединения
Применение
Формальдегид – газ с резким раздражающим запахом. 40% водный раствор формальдегида называется формалином. Формальдегид получают в промышленности в крупных масштабах окислением метана или метанола
Номенклатура и изомерия
Карбоновыми кислотами называют соединения, содержащиекарбоксильную группу
Физические свойства
Насыщенные алифатические монокарбоновые кислоты образуют гомологический ряд, который характеризуется общей формулой CnH2n+1COOH. Низшие члены этого ряда при обычны
Получение
1. Окисление первичных спиртов – общий способ получения карбоновых кислот. В качестве окислителей применяют КМnО4 и К2Сr2O7.
Химические свойства
Карбоновые кислоты – более сильные кислоты, чем спирты, поскольку атом водорода в карбоксильной группе обладает повышенной подвижностью благодаря влиянию группы –СО. В водном растворе карбоновые ки
Применение
Насыщенные кислоты. Муравьиная кислота НСООН. Название связано с тем, что кислота содержится в выделениях муравьев. Широко применяется в фармацевтической и пищевой промышле
Номенклатура и изомерия
Среди функциональных производных карбоновых кислот особое место занимают сложные эфиры – соединения, представляющие карбоновые кислоты, у которых атом водорода в карбоксильной группе заменен
Физические свойства
Сложные эфиры низших карбоновых кислот и спиртов представляют собой летучие, малорастворимые или практически нерастворимые в воде жидкости. Многие из них имеют приятный запах. Так, наприме
Химические свойства
1. Реакция гидролиза или омыления.
Реакция этерификации является обратимой, поэтому в присутствии кислот будет протекать обратная реакция, называемая гидролизом, в результат
Жиры и масла
Среди сложных эфиров особое место занимают природные эфиры – жиры и масла, которые образованы трехатомным спиртом глицерином и высшими жирными кислотами с неразветвленной углеродно
Номенклатура и изомерия
Простейший моносахарид – глицериновый альдегид, С3Н6О3:
Осталь
Физические и химические свойства глюкозы
Глюкоза С6Н12О6 представляет собой белые кристаллы, сладкие на вкус, хорошо растворимые в воде. В линейной форме молекулы глюкозы содержат одну аль
Дисахариды
Важнейшие дисахариды – сахароза, мальтоза и лактоза. Все они являются изомерами и имеют формулу С12Н22О11, однако их строение различно.
Молек
Полисахариды
Молекулы полисахаридов можно рассматривать как продукт поликонденсации моносахаридов. Общая формула полисахаридов (С6Н10О5)n. Мы рассмотрим важнейшие пр
Номенклатура и изомерия
Общая формула предельных алифатических аминов CnH2n+3N.
Названия аминов обычно производят, перечисляя углеводородные радикалы (в алфавитном порядке) и доба
Физические свойства
Метиламин, диметиламин и триметиламин – газы, средние члены алифатического ряда – жидкости, высшие – твердые вещества. Между молекулами аминов в жидкой фазе образуются слабые водородные связи, поэ
Получение
1. Основной способ получения аминов – алкилирование аммиака, которое происходит при нагревании алкилгалогенидов с аммиаком:
Химические свойства
1. Благодаря наличию электронной пары на атоме азота, все амины обладают основными свойствами, причем алифатические амины являются более сильными основаниями, чем аммиак. Водные растворы аминов име
Ароматические амины
Анилин (фениламин) C6H5NH2 – родоначальник класса ароматических аминов, в которых аминогруппа непосредственно связана с бензольным кольцом. Эта св
Физические свойства
Анилин – бесцветная маслянистая жидкость, немного тяжелее воды, мало растворима в воде, растворима в этиловом спирте и в бензоле.
Основной способ получения анилина – восстановление нитроб
Химические свойства
1. Анилин – гораздо более слабое основание, чем алифатические амины (Кb = 5,2-10-10). Это объясняется тем, что электронная пара атома азота, которая обусловливает осн
Номенклатура и изомерия
Аминокислоты – это органические бифункциональные соединения, в состав которых входят карбоксильная группа –СООН и аминогруппа –NH2. В зависимости от взаимного расположения обеих функци
Химические свойства
Аминокислоты – это органические амфотерные соединения. Они содержат в составе молекулы две функциональные группы противоположного характера: аминогруппу с основными свойствами и карбоксильную гру
Пептиды
Пептиды можно рассматривать как продукты конденсации двух или более молекул аминокислот. Две молекулы аминокислоты могут реагировать друг с другом с отщеплением молекулы воды и образованием продук
Химические свойства
1. Разрушение вторичной и третичной структуры белка с сохранением первичной структуры называется денатурацией. Она происходит при нагревании, изменении кислотности с
Биологическое значение белков
Биологическое значение белков чрезвычайно велико.
1.Абсолютно все химические реакции в организме протекают в присутствии катализаторов – ферментов. Даже такая простая реакци
Шестичленные гетероциклы
Пиридин C5H5N – простейший шестичленный ароматический гетероцикл с одним атомом азота. Его можно рассматривать как аналог бензола, в котором одна группа СН за
Пятичленные гетероциклы
Пиррол C4H4NH – пятичленный гетероцикл с одним атомом азота.
Строение нуклеиновых кислот
Нуклеиновые кислоты – это природные высокомолекулярные соединения (полинуклеотиды), которые играют огромную роль в хранении и передаче наследственной информации в живых организмах. Молекуля
Биологическая роль нуклеиновых кислот
ДНК – главная молекула в живом организме. Она хранит генетическую информацию, которую передает от одного поколения к другому. В молекулах ДНК в закодированном виде записан состав всех белков орган
Цитозин гуанин
Таким образом, информация, содержащаяся в ДНК, как бы перепечатывается в мРНК, а последняя доставляет ее в рибосомы.
2. Транспортная РНК (тРНК) переносит аминокислоты к рибосомам,
Общая характеристика полимеров
Довольно часто общую формулу полимеров можно записать в виде (-Х-)n, где фрагмент -Х- называется элементарное звено, а число n – степень полимериза
Пластмассы
Пластмассами называют материалы на основе полимеров, способные изменять свою форму при нагревании и сохранять новую форму после охлаждения. Благодаря этому свойству пластмассы легко поддаются меха
Волокна
Одна из важных областей применения полимеров – изготовление волокон и тканей.
Рассмотрим два ва
Каучуки
Каучуки – продукты полимеризации диенов и их производных.
Натуральный каучук получают из латекса – сока некоторых тропических растений. Его строение можно установит
Новости и инфо для студентов