Рабочая папка учащегося по химии

Основы химического языка и первоначальные сведения о классификации индивидуальных химических веществ

1. Химический язык и его части

Химический язык - система условных обозначений и понятий, предназначенная для краткой, ёмкой и наглядной записи и передачи химической информации.
Сообщение, написанное на большинстве естественных языков, делится на предложения, предложения - на слова, а слова - на буквы. Если предложения, слова и буквы мы назовем частями языка, то тогда мы сможем выделить аналогичные части и в химическом языке (таблица 2).

Таблица 2.Части химического языка

Любым языком овладеть сразу невозможно, это относится и к химическому языку. Поэтому пока вы познакомитесь только с основами этого языка: выучите некоторые " буквы" , научитесь понимать смысл " слов" и" предложений" . В конце этой главы вы познакомитесь с названиями химических веществ - неотъемлемой частью химического языка. По мере изучения химии ваше знание химического языка будет расширяться и углубляться.

2. Символы химических элементов

Символ химического элемента обозначает сам элемент или один атом этого элемента.
Каждый такой символ представляет собой сокращенное латинское название химического элемента, состоящее из одной или двух букв латинского алфавита (латинский алфавит см. в приложении 1). Символ пишется с прописной буквы. Символы, а также русские и латинские названия некоторых элементов, приведены в таблице 3. Там же даны сведения о происхождении латинских названий. Общего правила произношения символов не существует, поэтому в таблице 3 приводится и " чтение" символа, то есть, как этот символ читается в химической формуле.

Заменять символом название элемента в устной речи нельзя, а в рукописных или печатных текстах это допускается , но не рекомендуется.В настоящее время известно 110 химических элементов, у 109 из них есть названия и символы, утвержденные Международным союзом теоретической и прикладной химии (ИЮПАК).
В таблице 3 приведена информация только о 33 элементах. Это те элементы, которые при изучении химии вам встретятся в первую очередь. Русские названия (в алфавитном порядке) и символы всех элементов приведены в приложении 2.

Таблица 3. Названия и символы некоторых химических элементов

3. Химические формулы

Для обозначения химических веществ используют химические формулы.

Для молекулярных веществ химическая формула может обозначать и одну молекулу этого вещества.
Информация о веществе может быть разной, поэтому существуют разные типы химических формул.
В зависимости от полноты информации химические формулы делятся на четыре основных типа: простейшие, молекулярные, структурные и пространственные.

Подстрочные индексы в простейшей формуле не имеют общего делителя.
Индекс " 1" в формулах не ставится.
Примеры простейших формул: вода - Н₂О, кислород - О, сера - S, оксид фосфора - P₂O₅, бутан - C₂H₅, фосфорная кислота - H₃PO₄, хлорид натрия (поваренная соль) - NaCl.
Простейшая формула воды (Н₂О) показывает, что в состав воды входит элемент водород (Н) и элемент кислород (О), причем в любой порции (порция - часть чего-либо, что может быть разделено без утраты своих свойств.) воды число атомов водорода в два раза больше числа атомов кислорода.
Число частиц, в том числе и число атомов, обозначается латинской буквой N. Обозначив число атомов водорода - N_H, а число атомов кислорода - N_O, мы можем записать, что

, или N_H : N_O = 2 : 1.

Простейшая формула фосфорной кислоты (Н₃РО₄) показывает, что в состав фосфорной кислоты входят атомы водорода, атомы фосфора и атомы кислорода, причем отношение чисел атомов этих элементов в любой порции фосфорной кислоты равно 3:1:4, то есть

N_H : N_P : N_O = 3 : 1 : 4.

Простейшая формула может быть составлена для любого индивидуального химического вещества, а для молекулярного вещества, кроме того, может быть составлена молекулярная формула.

Примеры молекулярных формул: вода - H₂O, кислород - O₂, сера - S₈, оксид фосфора - P₄O₁₀, бутан - C₄H₁₀, фосфорная кислота - H₃PO₄.

У немолекулярных веществ молекулярных формул нет.

Последовательность записи символов элементов в простейших и молекулярных формулах определяется правилами химического языка, с которыми вы познакомитесь по мере изучения химии. На информацию, передаваемую этими формулами, последовательность символов влияния не оказывает.

Из знаков, отражающих строение веществ, мы будем использовать пока только валентный штрих (" черточку" ). Этот знак показывает наличие между атомами так называемой ковалентной связи (что это за тип связи и каковы его особенности, вы скоро узнаете).

В молекуле воды атом кислорода связан простыми (одинарными) связями с двумя атомами водорода, а атомы водорода между собой не связаны. Именно это наглядно показывает структурная формула воды.

Другой пример: молекула серы S₈. В этой молекуле 8 атомов серы образуют восьмичленный цикл, в котором каждый атом серы связан с двумя другими атомами простыми связями. Сравните структурную формулу серы с объемной моделью ее молекулы, показанной на рис. 3. Обратите внимание на то, что структурная

формула серы не передает форму ее молекулы, а показывает только последовательность соединения атомов ковалентными связями.

Структурная формула фосфорной кислоты показывает, что в молекуле этого вещества один из четырех атомов кислорода связан только с атомом фосфора двойной связью, а атом фосфора, в свою очередь, связан еще с тремя атомами кислорода простыми связями. Каждый из этих трех атомов кислорода, кроме того, связан простой связью с одним из трех имеющихся в молекуле атомов водорода.

Сравните приведенную ниже объемную модель молекулы метана с его пространственной, структурной и молекулярной формулой:

В пространственной формуле метана клиновидные валентные штрихи как бы в перспективе показывают, какой из атомов водорода находится " ближе к нам" , а какой " дальше от нас" .

Иногда в пространственной формуле указывают длины связей и значения углов между связями в молекуле, как это показано на примере молекулы воды.

Немолекулярные вещества не содержат молекул. Для удобства проведения химических расчетов в немолекулярном веществе выделяют так называемую формульную единицу.

Примеры состава формульных единиц некоторых веществ: 1) диоксид кремния (кварцевый песок, кварц) SiO₂ - формульная единица состоит из одного атома кремния и двух атомов кислорода; 2) хлорид натрия (поваренная соль) NaCl - формульная единица состоит из одного атома натрия и одного атома хлора; 3) железо Fe - формульная единица состоит из одного атома железа.Как и молекула, формульная единица - наименьшая порция вещества, сохраняющая его химические свойства.

Таблица 4

Информация, передаваемая формулами разных типов

Рассмотрим теперь на примерах, какую информацию дают нам формулы разных типов.

1. Вещество: уксусная кислота. Простейшая формула - СН₂О, молекулярная формула - C₂H₄O₂, структурная формула

Простейшая формула говорит нам, что
1) в состав уксусной кислоты входит углерод, водород и кислород;
2) в этом веществе число атомов углерода относится к числу атомов водорода и к числу атомов кислорода, как 1:2:1, то есть N_H : N_C :N_O = 1:2:1.
Молекулярная формула добавляет, что
3) в молекуле уксусной кислоты - 2 атома углерода, 4 атома водорода и 2 атома кислорода.
Структурная формула добавляет, что
4, 5) в молекуле два атома углерода связаны между собой простой связью; один из них, кроме этого, связан с тремя атомами водорода, с каждым простой связью, а другой - с двумя атомами кислорода, с одним - двойной связью, а с другим - простой; последний атом кислорода связан еще простой связью с четвертым атомом водорода.

2. Вещество: хлорид натрия. Простейшая формула - NaCl.
1) В состав хлорида натрия входит натрий и хлор.
2) В этом веществе число атомов натрия равно числу атомов хлора.

3. Вещество: железо. Простейшая формула - Fe.
1) В состав этого вещества входит только железо, то есть это простое вещество.

4. Вещество: триметафосфорная кислота. Простейшая формула - HPO₃, молекулярная формула - H₃P₃O₉, структурная формула

1) В состав триметафосфорной кислоты входит водород, фосфор и кислород.
2) N_H : N_P :N_O = 1:1:3.
3) Молекула состоит из трех атомов водорода, трех атомов фосфора и девяти атомов кислорода.
4, 5) Три атома фосфора и три атома кислорода, чередуясь, образуют шестичленный цикл. Все связи в цикле простые. Каждый атом фосфора, кроме того, связан еще с двумя атомами кислорода, причем с одним - двойной связью, а с другим - простой. Каждый из трех атомов кислорода, связанных простыми связямис атомами фосфора, связан еще простой связью с атомом водорода.

Фосфорная кислота - H₃PO₄ (другое название - ортофосфорная кислота) - прозрачное бесцветное кристаллическое вещество молекулярного строения, плавящееся при 42 ^oС. Это вещество очень хорошо растворяется в воде и даже поглощает пары воды из воздуха (гигроскопично). Фосфорную кислоту производят в больших количествах и используют прежде всего в производстве фосфорных удобрений, а также в химической промышленности, при производстве спичек и даже в строительстве. Кроме того, фосфорная кислота применяется при изготовлении цемента в зубоврачебной технике, входит в состав многих лекарственных средств. Эта кислота достаточно дешева, поэтому в некоторых странах, например в США, очень чистая сильно разбавленная водой фосфорная кислота добавляется в освежающие напитки для замены дорогой лимонной кислоты.

Метан - CH₄. Если у вас дома есть газовая плита, то с этим веществом вы сталкиваетесь ежедневно: природный газ, который горит в конфорках вашей плиты, на 95 % состоит из метана. Метан - газ без цвета и запаха с температурой кипения -161 ^oС. В смеси с воздухом он взрывоопасен, этим и объясняются происходящие иногда в угольных шахтах взрывы и пожары (другое название метана - рудничный газ). Третье название метана - болотный газ - связано с тем, что пузырьки именно этого газа поднимаются со дна болот, где он образуется в результате деятельности некоторых бактерий. В промышленности метан используется как топливо и сырье для производства других веществ.Метан является простейшим углеводородом. К этому классу веществ относятся также этан (C₂H₆), пропан (C₃H₈), этилен (C₂H₄), ацетилен (C₂H₂) и многие другие вещества.

Таблица 5. Примеры формул разных типов для некоторых веществ

4. Схемы и уравнения химических реакций

При химических реакциях одни вещества превращаются в другие. Вспомним известную нам реакцию серы с кислородом. И в ней из одних веществ (исходных веществ или реагентов) образуются другие (конечные вещества или продукты реакции).

Для записи и передачи информации о химических реакциях используются схемы и уравнения реакций.

Схема реакции показывает, какие вещества вступают в реакцию и какие образуются в результате реакции. И в схемах, и в уравнениях реакций вещества обозначаются их формулами.

Схема горения серы записывается так: S₈ + O₂SO₂.

Это означает, что при взаимодействии серы с кислородом протекает химическая реакция, в результате которой образуется диоксид серы (сернистый газ). Все вещества здесь молекулярные, поэтому при записи схемы использованы молекулярные формулы этих веществ.

Для любой химической реакции справедлив один из важнейших законов химии:
При протекании химических реакций атомы не появляются, не исчезают и не превращаются друг в друга.

При записи уравнений химических реакций, кроме формул веществ, используются коэффициенты. Как и в алгебре, коэффициент "1" в уравнении химической реакции не ставится, но подразумевается. Рассмотренные нами реакции описываются следующими уравнениями:

1S₈ + 8O₂ = 8SO₂, или S₈ + 8O₂ = 8SO₂;
1P₄ + 5O₂ = 1P₄O₁₀, или P₄ + 5O₂ = P₄O₁₀;
1CaCO₃ = 1CaO + 1CO₂, или CaCO₃ = CaO + CO₂;
1PCl₅ + 4H₂O = 1H₃PO₄ + 5HCl, или PCI₅ + 4H₂O = H₃PO₄ + 5HCI.

Знак равенства между правой и левой частью уравнения означает, что число атомов каждого элемента, входящих в состав исходных веществ, равно числу атомов этого элемента, входящих в продукты реакции.

Коэффициенты в уравнении химической реакции показывают отношение между числом реагирующих и числом образующихся молекул (для немолекулярных веществ - числом формульных единиц) соответствующих веществ. Так, для реакции, протекающей при взаимодействии пентахлорида фосфора с водой

и так далее (всего 6 пропорций).Обычно отдельный коэффициент в уравнении реакции не имеет никакого смысла, но в некоторых случаях может означать число молекул или формульных единиц данного вещества. Примеры информации, даваемой схемами и уравнениями реакций.
1-й пример. Реакция горения метана в кислороде (или на воздухе):
СН₄ + O₂CO₂ + H₂O (схема),
СН₄+ 2O₂ = CO₂ + 2Н₂О (уравнение).

Схема химической реакции показывает, что (1) в реакции, протекающей между метаном и кислородом, образуются углекислый газ и вода.

Уравнение реакции добавляет, что (2) число молекул метана, вступившего в реакцию, относится к числу молекул вступившего в реакцию кислорода, как 1 к 2, и так далее, то есть:

Кроме того, уравнение показывает, что одна молекула метана реагирует с двумя молекулами кислорода, при этом образуется одна молекула углекислого газа и две молекулы воды.

2.Какую информацию передают составленными вами уравнениями реакций (среди приведенных веществ молекулярными являются Cl₂, N₂О, N₂, O₂, H₂SO₄ и H₂O; остальные - немолекулярные).

5. Первоначальные сведения о классификации чистых химических веществ

Вещества отличаются друг от друга своими свойствами, а свойства веществ определяются составом и строением. Поэтому важнейшие признаки, по которым классифицируют вещества - состав, строение и свойства.
По составу, а точнее, по числу входящих в их состав элементов, вещества делятся на простые и сложные (это вы уже знаете). Сложных веществ в сотни тысяч раз больше, чем простых, поэтому среди них выделяют бинарные вещества (бинарные соединения).

Признаком, по которому проводят дальнейшую классификацию веществ, являются их свойства.
Начнем с простых веществ.
По физическим свойствам простые вещества делятся на металлы и неметаллы.

Характерные физические свойства металлов:
1) высокая электропроводность (способность хорошо проводить электрический ток),
2) высокая теплопроводность (способность хорошо проводить теплоту),
3) высокая пластичность (ковкость, изгибаемость, вытягиваемость).

Кроме того все металлы обладают " металлическим" блеском. Но следует помнить, что таким блеском обладают не только металлы, но и часть неметаллов, и даже некоторые сложные вещества. Блестит кристаллический кремний, одна из полиморфных модификаций мышьяка, теллур, а это всё - неметаллы. Из сложных веществ - пирит FeS₂, халькопирит CuFeS₂ и некоторые другие.

Основой систематизации химических элементов, простых веществ и соединений служит ЕСТЕСТВЕННАЯ СИСТЕМА ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ, открытая в 1869 году выдающимся русским химиком Дмитрием Ивановичем Менделеевым (1834 -1907) и названная им " периодической системой" . Усовершенствованная многими поколениями ученых, эта система продолжает называться " периодической" , хотя это и не совсем правильно. Графически система химических элементов выражается в виде таблицы элементов (рис. 2.2); со строением этой таблицы вы подробно познакомитесь, изучая главу 6. Пока же посмотрим, где в таблице элементов расположены элементы, образующие неметаллы, а где - элементы, образующие металлы. Оказывается, элементы, образующие неметаллы, группируются в правом верхнем углу таблицы элементов. Все остальные элементы - элементы , образующие металлы. Причину этого вы узнаете, изучив строение атомов и химические связи.

При комнатной температуре металлы - твердые вещества (исключение - ртуть, ее температура плавления - 39 ^oС).
В отличие от металлов, неметаллы не обладают каким-либо определенным набором характерных физических характеристик. Даже агрегатное состояние у них может быть разным. При комнатной температуре газообразныдвенадцать простых веществ (Н₂, Не, N₂, O₂, O₃, F₂, Nе, Cl₂, Аr, Кr, Хе, Rn), жидкость одна (Br₂), а твердых веществ - более десяти (В, С_(алмаз), С_{(графит)}, Si, P₄, S₈, As, Se, Те, I₂ и др.). По своим химическим свойствам большинство металлов сильно отличается от большинства неметаллов, но резкой границы между ними нет.
Многие простые вещества при определенных условиях могут вступать в реакции друг с другом, например:

2H₂ + O₂ = 2H₂O; 2Na + Cl₂ = 2NaCl; 2Ca + O₂ = 2CaO.

В результате таких реакций образуются бинарные соединения.

В принципе, в состав бинарного соединения могут входить любые элементы (кроме гелия и неона). Но часто один из этих элементов - кислород, водород или один из галогенов (фтор, хлор, бром или йод). Такие вещества называются кислородными соединениями, водородными соединениями или галогенидами. Примеры бинарных соединений: CaO, Al₂O₃, КН, HCl, АlI₃, СаС₂.

Примеры кислородных соединений: H₂O (вода), H₂O₂ (пероксид водорода), Na₂O (оксид натрия), Na₂O₂ (пероксид натрия), СО₂ (диоксид углерода), OF₂ (фторид кислорода). Большинство кислородных соединений является оксидами. Чем оксиды отличаются от остальных кислородных соединений, вы узнаете позже.
Примеры оксидов:
Li₂O - оксид лития, CO₂ - диоксид углерода, CaO - оксид кальция, SiO₂ - диоксид кремния, Al₂O₃ - оксид алюминия, Н₂О - вода,
MnO₂ - диоксид марганца, SO₃ -триоксид серы.

Примеры водородных соединений: NаН - гидрид натрия, H₂O - вода, КН - гидрид калия, НСl - хлороводород, СаH₂ - гидрид кальция,
NH₃ - аммиак, BaH₂ - гидрид бария, CH₄ - метан.

Примеры галогенидов: CaF₂ - фторид кальция, BF₃ - трифторид бора, NaCl - хлорид натрия,PCl₅ - пентахлорид фосфора, КВr - бромид калия, НВr - бромоводород, AlI₃ - йодид алюминия, HI - йодоводород.
Примеры названий бинарных соединений приведены в таблице 6.

Таблица 6. Примеры названий бинарных соединений.

Обратите внимание, что все эти названия содержат суффикс -ид. Таким способом можно назвать любое бинарное соединение, кроме бинарных соединений элементов, образующих металлы (интерметаллических соединений). Вместе с тем, некоторые бинарные соединения имеют свои традиционные названия (вода, аммиак, хлороводород, метан и некоторые другие).

Среди бинарных соединений на Земле чаще всего встречаются оксиды. Это вызвано тем, что каждый второй атом в земной коре (в атмосфере, гидросфере и литосфере) - атом кислорода. А среди оксидов самое распространенное вещество - вода. Одна из причин этого в том, что водород - также один из самых распространенных элементов в земной коре.

Теперь - о более сложных соединениях. Пусть в состав соединения входят три элемента. Таких соединений очень много. Какие из них наиболее важные? Конечно, кислородсодержащие соединения. И прежде всего, те, в состав которых входит водород. Важность этих соединений вызвана еще и тем, что в результате химических реакций между оксидами и водой получаются как раз такие вещества, например:

СаО + H₂O = Ca(OH)₂; P₄O₁₀ + 6H₂O = 4H₃PO₄;
Li₂O + H₂O = 2LiOH; SO₃ + H₂O = H₂SO₄.

Образующиеся в результате этих реакций вещества называются гидроксидами. Название происходит от сочетания слов " гидрат оксида" , то есть соединение оксида с водой.

Существует много гидроксидов, в том числе и такие, которые не образуются при непосредственном взаимодействии оксида с водой, например: H₂SiO₃, Al(OH)₃, Cu(OH)₂ и другие. Эти вещества тоже называются гидроксидами потому, что при нагревании они разлагаются на оксид и воду.

Вообще-то почти все гидроксиды при нагревании разлагаются, образуя соответствующий оксид и воду, например:
Cu(OH)₂ = CuO + H₂O при 100^oС;
Сa(OH)₂ = CaO +H₂O при 500^oС;
H₂SO₄ = SO₃ + H₂O при 450^oС;
2Аl(ОН)₃ = Al₂O₃ + 3H₂O при 200^oС;
H₂SiO₃ = SiO₂+ H₂O ниже 100^oС.
Но такие гидроксиды, как, например, NaОН и КОН, не разлагаются даже при нагревании до 1500 ^oС.

Примеры названий некоторых гидроксидов приведены в таблице 7.

Обратите внимание, что в левой половине таблицы собраны гидроксиды элементов, образующих металлы (название начинается со слова " гидроксид " ), а в правой - гидроксиды элементов, образующих неметаллы (название содержит слово " кислота " ). Разная форма названий связана с тем, что эти гидроксиды очен ь сильно отличаются по своим химическим свойствам. Например, их растворы по-разному изменяют окраску веществ, называемых индикаторами (точнее, кислотно-основными индикаторами ). Такими веществами-индикаторами являются красители, содержащиеся в чернике, малине, черной смородине, краснокочанной капусте и даже в чае. В лаборатории в качестве индикаторов обычно используют лакмус (природный краситель), метилоранж и фенолфталеин (оба синтетические). Так, лакмус в растворах, содержащих кислоты, окрашивается в красный цвет, а в растворах, содержащих растворимые гидроксиды металлов (щелочи) - в синий. Цвета других индикаторов приведены в приложении 3. Кислоты имеют кислый вкус, но пробовать их нельзя ни в коем случае, так как большинство из них ядовиты, или обладают обжигающим действием.

Из гидроксидов, приведенных в таблице 6, щелочами являются NaOH, КОН и Ba(OH) ₂. Малорастворимый Са(ОН)₂ тоже меняет окраску индикаторов. Из приведенных в этой же таблице кислот не меняет окраску индикаторов только кремниевая кислота, в частности потому, что она, в отличие от остальных кислот, нерастворима в воде.

Между собой кислоты, как правило, не реагируют, а с гидроксидами металлов вступают в реакции, например:
H₂SO₄ + 2КОН = К₂SО₄ + H₂О;
2HNO₃ + Ва(ОН)₂ = Ва(NO ₃)₂ + 2H₂O;
Н₃РО₄ + 3NаОН = Nа₃РО₄ + 3Н₂О.

Кроме воды продуктами этих реакций являются соли - сложные вещества еще одного важнейшего класса. В результате реакции ни кислоты, ни щелочи в растворе не остается, и раствор становится нейтральным, поэтому такие реакции называют реакциями нейтрализации.

Обратите внимание на суффиксы в названиях солей, приведенных в таблице 8.

Таблица 8.Соли и их названия

Некоторые гидроксиды из всех остальных гидроксидов реагируют только с кислотами. Такие гидроксиды называются основаниями. Те же гидроксиды, которые реагируют и с кислотами, и с ос нованиями (щелочами), называются амфотерными гидроксидами. Основаниям соответствуют основные оксиды, кислотам - кислотные оксиды, а амфотерным гидроксидам - амфотерные оксиды.

Примеры различных по своему химическому поведению оксидов приведены в таблице 9.

Таблица 9.Примеры основных, амфотерных и кислотных оксидов, а также соответствующие им гидроксидов.

*)Приведена идеализированная формула гидроксида
**)Существует только в водном растворе

Соли образуются не только при реакциях кислот с основаниями, но и при взаимодействии металлов с кислотами:
Mg + H₂SO₄ = MgSO₄ + H₂O,
2Al + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H_2­ ,
а также при взаимодействии основных оксидов с кислотными оксидами Li₂O + CO₂ = Li₂СО₃,
основных оксидов с кислотами FeO + H₂SO₄ = FeSO₄ + Н₂О
и кислотных оксидов с основаниями SO₂ + 2NаОН = Na₂SO₃ + H₂O.
В аналогичные реакции вступают также амфотерные оксиды и гидроксиды.
А теперь вернемся к знакомому вам делению веществ на молекулярные и немолекулярные, то есть к классификации их по типу строения. Как распределяются молекулярные и немолекулярные вещества по различным классам сложных веществ, показано в таблице 10.

Таблица 10.Тип строения некоторых сложных веществ

Как видите, химические вещества - очень разные, разные по составу, по своим физическим характеристикам, разные по химическим свойствам. Но ответить на вопросы, почему данное вещество имеет такой состав, почему оно обладает такими характеристиками, почему оно реагирует именно с этими веществами и как оно с ними реагирует, вы пока не можете. Вспомните, что свойства вещества определяются его составом и строением. Поэтому для ответа на эти вопросы нужно прежде всего изучить, как вещества устроены, то есть - строение вещества.

Конец формы