С. Т. Жуков Химия 8-9 класс

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 + O₂ SO₂.

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. То же относится и к схеме другой реакции – реакции горения белого фосфора:

P₄ + O₂ P₄O₁₀.

При нагревании до 900 ^oС карбоната кальция (мела, известняка) протекает химическая реакция: карбонат кальция превращается в оксид кальция (негашеную известь) и диоксид углерода (углекислый газ) по схеме:

CaCO₃ CaO + CO₂.

Для указания на то, что процесс происходит при нагревании, схему (и уравнение) обычно дополняют знаком " t" , а то, что углекислый газ при этом улетучивается, обозначают стрелкой, направленной вверх:

CaCO₃ CaO + CO₂.

Карбонат кальция и оксид кальция – вещества немолекулярные, поэтому в схеме использованы их простейшие формулы, отражающие состав их формульных единиц. Для молекулярного вещества – углекислого газа – использована молекулярная формула.

Рассмотрим схему реакции, протекающей при взаимодействия пентахлорида фосфора с водой:   PCl₅ +H₂O H₃PO₄ + HCl.
Из схемы видно, что при этом образуется фосфорная кислота и хлороводород.

Иногда для передачи информации о химической реакции бывает достаточно и краткой схемы этой реакции, например:

S₈ SO₂; P₄ P₄O₁₀; CaCO₃ CaO.

Естественно, что краткой схеме может соответствовать и несколько разных реакций.

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 реакциии.

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 + O₂ CO₂ + 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-й пример. Восстановление железа водородом из его оксида:
Fe₂O₃ + H₂ Fe + H₂O (схема),
Fe₂O₃ + 3H₂ = 2Fe + 3H₂О (уравнение).

Схема химической реакции показывает, что (1) при взаимодействии оксида железа(Fe₂O₃) с водородом (которое происходит при нагревании) образуются железо и вода.

Уравнение добавляет к этому, что (2) число формульных единиц оксида железа, вступившего в реакцию, относится к числу вступивших в реакцию молекул водорода, как 1 к 3, и так далее. То есть:

Кроме того уравнение показывает, что одна формульная единица оксида железа реагирует с тремя молекулами водорода, при этом образуется два атома железа и три молекулы воды.

Как вы узнаете в дальнейшем, уравнения реакций дают нам и другую количественную информацию.

РЕАГЕНТЫ, ПРОДУКТЫ РЕАКЦИИ, СХЕМЫ И УРАВНЕНИЯ РЕАКЦИЙ, КОЭФФИЦИЕНТЫ В УРАВНЕНИЯХ РЕАКЦИЙ

1.Запишите уравнения, соответствующие следующим схемам реакций:
а) Na+ Cl₂ NaCl; б) CuO + Al Al₂O₃ + Сu;
в) N₂O N₂ + O₂; г)NaOH + H₂SO₄ Na₂SO₄ + H₂O.
2.Какую информацию передают составленными вами уравнениями реакций (среди приведенных веществ молекулярными являются Cl₂, N₂О, N₂, O₂, H₂SO₄ и H₂O; остальные – немолекулярные).

2.5. Первоначальные сведения о классификации чистых химических веществ

Вы уже познакомились в той или иной степени примерно с пятьюдесятью индивидуальными (чистыми) химическими веществами. Всего же науке известно несколько миллионов таких веществ. Чтобы не утонуть в этом " море" веществ, их необходимо систематизировать и прежде всего классифицировать – классифицировать более подробно, чем мы делали это в параграфе 1.4 (рис. 1.3).
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).

Схема этой классификации приведена на рисунке 2.1.
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.

ЕСТЕСТВЕННАЯ СИСТЕМА ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ, МЕТАЛЛЫ, НЕМЕТАЛЛЫ, БИНАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, КИСЛОРОДНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, ВОДОРОДНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ , ГАЛОГЕНИДЫ, ГИДРИДЫ, ОКСИДЫ, ГИДРОКСИДЫ, КИСЛОТЫ, ОСНОВАНИЯ, СОЛИ, ЩЕЛОЧИ, АМФОТЕРНЫЕ ГИДРОКСИДЫ, ИНДИКАТОРЫ, РЕАКЦИЯ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ, ОСНОВНЫЕ ОКСИДЫ,   КИСЛОТНЫЕ ОКСИДЫ, АМФОТЕРНЫЕ ОКСИДЫ

1.Запишите, какую информацию дают вам следующие схемы реакций:
а) NO + O₂ NO₂;
б) Fe₂O₃ + H₂ Fe + H₂O;
в) KClO₃ KCl + O₂;
г) AgNO₃ + CaCl₂ AgCl + Ca(NO₃)₂.

По схемам составьте уравнения реакций и запишите, какую информацию добавляют вам эти уравнения. К каким известным вам классам химических веществ относятся вещества, участвующие в этих реакциях (и реагенты, и продукты)?
2.Назовите следующие соединения:

3.Используя табл. 9, закончите уравнения реакций гидратации (не забудьте расставить коэффициенты):
а) Na₂O + H₂O = ...
б) CrO₃ + H₂O = ...
в) BaO + H₂O = ...
г) N₂O₅ + H₂O = ...
4.Используя табл. 9, составьте уравнения реакций термического разложения:
а) Fe(OH)₂; б) Pb(OH)₂; в) Fe(ОН)₃; г) Сr(ОН)₃.
5.Составьте уравнения по следующим схемам реакций:
а) Zn + H₂SO₄ ZnSO₄ + H₂ ; б) ZnO + H₂SO₄ ZnSO₄ + H₂O;
Al + H₂SO₄ Al₂(SO₄)₃ + H₂   ; Al₂O₃ + H₂SO₄ Al₂(SO₄)₃ + H₂O,
в) Zn(OH)₂ + H₂SO₄ ZnSO₄ + H₂O;
А1(ОН)₃ + H₂SO₄ Al₂(SO₄)₃ + H₂O.
К каким классам химических веществ относятся реагенты и продукты этих реакций?
6.Закончите уравнения реакций:

Что вы заметили общего в реакциях, собранных в каждую из групп? Предложите общее название для этих четырех групп реакций.

7.Составьте уравнения реакций по следующим схемам реакций:
Li₂O + P₄O_{1 0} Li₃PO₄;        MnSO₄ + NаОН M n(OH)₂ + Na₂SO₄;
Fe₃O₄ + Al Al₂O₃ + Fe;     La₂( SO₄)₃ + KOH La(OH)₃ + K₂SO₄;
Fe₂O₃ + Mg MgO + Fe;     Ag NO₃ + NaO H Ag₂O +NaNO₃ + H ₂O.
К каким классам относятся исходные и конечные вещества этих реакций?

1. Взаимодействие растворов кислот и оснований с индикаторами.
2. Химические свойства кислот и оснований.
3. Химические свойства металлов.
4. Химические свойства оксидов.