Лекция 5. Химические реакции. Важнейшие классы неорганических соединений

Типы химических реакций

Вещества образуются в результате химических реакций. Чтобы рассчитать и изучить химические реакции их принято условно отображать с помощью знаков и формул в виде химических уравнений. Химические уравнения показывают какие вещества вступают в реакцию какие образуются и в каком количестве.

Приведем алгоритм построения химических уравнений:

1. Записываем формулы веществ, вступающих в реакцию (ПОМНИМ молекулы простых газообразных веществ всегда состоят из двух атомов О₂, Н₂, Cl₂ и др.), затем ставим стрелку. В правой части уравнения пишем формулы образовавшихся веществ, при этом помним правило расстановки индексов, которые зависят от валентности элементов (предыдущая лекция):

$M g + O_{2} \to \overset{I I}{M g} \overset{I I}{O} P + O_{2} \to {\overset{V}{P}}_{2} {\overset{I I}{O}}_{5}$

2. Уравнение реакции составляют на основе закона сохранения массы веществ, то есть слева и справа должно быть одинаковое число атомов. Это достигается путем расстановки коэффициентов перед формулами веществ:

$2 Mg + O_{2} \to 2 MgO 4 P + 5 O_{2} \to 2 P_{2} O_{5}$

По механизму течения химические реакции подразделяются на четыре основных типа:

реакции разложения;
реакции соединения;
реакции замещения;
реакции обмена.

Рассмотрим подробнее каждую реакцию.

1. Реакции разложения.

Реакциями разложения называются такие реакции, в результате которых из одного вещества получается два или несколько других веществ. Примером может служить реакция разложения оксида ртути на ртуть и кислород под действием температуры:

$2 HgO \overset{t}{\to 2 Hg + O_{2}}$

2. Реакции соединения.

Реакциями соединения называются такие реакции, в результате которых из двух или нескольких веществ образуется одно новое вещество. Примером может служить образование сульфида железа (II) из железа и серы:

$Fe + S \to FeS$

3. Реакции замещения.

Реакциями замещения называются реакции, протекающие между простыми и сложными веществами, при которых атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложном веществе. Примером служит реакция взаимодействия железа с хлоридом меди (II), с образованием меди и хлорида железа (III):

$Fe + {CuCl}_{2} \to Cu ↓ + {FeCl}_{2}$

Существуют еще классификации химических реакций по тепловому эффекту (экзотермические и эндотермические), по агрегатному состоянию реагирующих веществ или фазовому составу (гетерогенные и гомогенные), по участию катализатора (некаталитические и каталитические), по направлению (обратимые и необратимые).

Химические реакции протекают с разными скоростями. Очень быстро проходят реакции в водных растворах, практически мгновенно. Смешаем растворы хлорида бария и сульфата натрия – сульфат бария в виде осадка образуется немедленно. Быстро, но не мгновенно горит сера, магний растворяется в соляной кислоте, этилен обесцвечивает бромную воду. Медленно образуется ржавчина на железных предметах, налет на медных и бронзовых изделиях, гниет листва, разрушаются зубы. Если химические реакции происходят в однородной среде, например в растворе или в газовой фазе, то взаимодействие реагирующих веществ происходит во всем объеме. Такие реакции, как вы знаете, называют гомогенными. Если реакция идет между веществами, находящимися в разных агрегатных состояниях (например, между твердым веществом и газом или жидкостью) или между веществами, неспособными образовывать гомогенную среду (например, между несмешивающимися жидкостями), то она проходит только на поверхности соприкосновения веществ. Такие реакции, как вы также знаете, называют гетерогенными. Скорость химической реакции зависит от многих факторов. Основными из них являются: природа и концентрация реагирующих веществ, давление (в реакциях с участием газов), температура, действие катализаторов и поверхность реагирующих веществ в случае гетерогенных реакций.

Важнейшие классы неорганических соединений

К важнейшим классам неорганических соединений относят: оксиды, основания, кислоты, соли.

I. ОСНОВАНИЯ

Основаниями называют сложные вещества, в составе которых входят атомы металлов, соединенные с одной или несколькими одновалентными гидроксогруппами ( $OH$ ). Примерами оснований являются: гидроксид натрия - $NaOH$ , гидроксид кальция - $Ca {(OH)}_{2}$ , гидроксид алюминия (III) - $Al {(OH)}_{3}$ . При образовании оснований и расстановки индексов вам следует учесть важный момент: гидроксогруппа $OH$ имеет оду валентность равную 1.

Все основания подразделяются на два типа: растворимые (щелочи) и нерастворимые. Внимательно рассмотрите таблицу.

Физические свойства оснований. Все основания являются твердыми веществами с различной растворимостью в воде.

Химические свойства. Все основания реагируют с кислотами с образованием солей и воды. Остальные свойства оснований приведены на следующем видеофрагменте. Внимательно изучите.

Применение оснований. Основания широко применяются в промышленности и в быту. Большое значение имеет гидроксид кальция $Ca {(OH)}_{2}$ , или гашеная известь. Это белый рыхлый порошок. Её применяют как средство борьбы с вредителями растений, при производстве сахара и соды.

II. КИСЛОТЫ

Кислоты - это сложные вещества, состоящие из атомов водорода и кислотных остатков. При составлении химических формул валентность кислотного остатка рассматриваем целиком. На следующей таблице приведены все основные кислоты, их кислотные остатки и их валентность.

НАЗВАНИЕ КИСЛОТЫ	ФОРМУЛА КИСЛОТЫ	КИСЛОТНЫЕ ОСТАТКИ	ВАЛЕНТНОСТЬ КИСЛОТНЫХ ОСТАТКОВ
Хлороводородная (соляная) кислота	$HCl$	$- Cl$	I
Бромоводородная кислота	$HBr$	$- Br$	I
Йодоводородная кислота	$HI$	$- I$	I
Фтороводородная (плавиковая) кислота	$HF$	$- F$	I
Азотная кислота	${HNO}_{3}$	$- {NO}_{3}$	I
Азотистая кислота	${HNO}_{2}$	$- {NO}_{2}$	I
Серная кислота	$H_{2} {SO}_{4}$	$= {SO}_{4}$	II
Сернистая кислота	$H_{2} {SO}_{3}$	$= {SO}_{3}$	II
Сероводородная кислота	$H_{2} S$	$= S$	II
Угольная кислота	$H_{2} {CO}_{3}$	$= {CO}_{3}$	II
Кремниевая кислота	$H_{2} {SiO}_{3}$	$= {SiO}_{3}$	II
Ортофосфорная кислота	$H_{3} {PO}_{4}$	$\equiv {PO}_{4}$	III

Способы получения кислот приведены на рисунке 1

Физические свойства кислот. Некоторые кислоты представляют собой бесцветные жидкости (серная азотная и соляная кислоты). Известны также твердые кислоты - ортофосфорная, метафосфорная, борная.

Химические свойства кислот. Приведем несколько основных свойств кислот:

Кислоты реагируют с некоторыми металлами. В таких реакциях обычно выделяется водород и образуются соли. Ряд металлов, вытесняющих водород из кислот представил Н.Н. Бекетов. $K, Na, Ca, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, H, Cu, Ag, Pt, Au$ . В этом ряду все металлы, стоящие до водорода способны его вытеснить из кислот. Примером может служить реакции взаимодействия цинка с соляной кислотой $Zn + 2 HCl \to {ZnCl}_{2} + H_{2} ↑$
Кислоты взаимодействуют с основными оксидами.
Кислоты вступают в реакцию с основаниями.
Кислоты реагируют с солями.
При нагревании некоторые кислоты разлагаются.

Ниже представлен интерактивный элемент лекции, по свойствам кислот 2-5. Методом перетаскивания определите химическую реакцию, которая является примером определенного свойства кислот.

Применение кислот. Спектор применения кислот очень широк: пищевая промышленность (улучшают вкусовые параметры продуктов и срок их хранения), медицина (антисептики, медикаменты), бытовое применение (средства стирки и уборки) и др.

III. ОКСИДЫ

Оксиды - это сложные вещества, молекулы которых состоят из двух элементов, одним из которых является кислород. Почти все химические элементы образуют оксиды, исключением является несколько элементов: фтор $F$ , серебро $Ag$ , золото $Au$ , платина $Pt$ .

Все оксиды можно разделить на два класса. Первым соответствуют основания, вторым - кислоты. В любом из случаев мы наблюдаем реакцию гидратации.

Оксиды, гидраты которых являются основаниями, называются основными оксидами.

$CaO + H_{2} O \to \underset{гидроксид кальция}{Ca {(OH)}_{2}}$

Оксиды, гидраты которых являются кислотами, называются кислотными оксидами.

$P_{2} O_{5} + H_{2} O \to \underset{метафосфорная кислота}{2 {HPO}_{3}}$

Способы получения кислот вы можете увидеть в следующем видео.

Физические свойства оксидов. Оксиды бывают твердые (оксид кремния ${SiO}_{2}$ ), жидкие (оксид водорода, или вода $H_{2} O$ ) и газообразные (оксид углерода (IV) или углекислый газ ${CO}_{2}$ ).

Химические свойства оксидов. Химические свойства оксидов приведены на рисунке. Внимательно изучите, с чем взаимодействуют оксиды.

Применение оксидов. Вода - это тоже оксид, всем известно какое значение она имеет в природе.Другие оксиды так же широко применяются, например чугун и сталь получают из оксидов железа ( ${Fe}_{2} O_{3} и {Fe}_{3} O_{4}$ ) и др.

IV СОЛИ

Соли - это сложные вещества, в состав которых входят атомы металлов, соединенные с кислотными остатками (все основные кислотные остатки приведены в разделе КИСЛОТЫ в таблице). Название соли будет зависеть от кислотного остатка.

НАЗВАНИЕ КИСЛОТЫ И ЕЕ ХИМИЧЕСКАЯ ФОРМУЛА	КИСЛОТНЫЕ ОСТАТКИ	НАЗВАНИЕ СОЛИ, СООТВЕТСТВУЮЩЕЕ КИСЛОТНОМУ ОСТАТКУ	ПРИМЕР СОЛИ
Хлороводородная (соляная) кислота $HCl$	$- Cl$	хлорид	${AlCl}_{3}$ -хлорид алюминия
Бромоводородная кислота $HBr$	$- Br$	бромид	${FeBr}_{2}$ -бромид железа
Йодоводородная кислота $HI$	$- I$	йодид	${MgI}_{2}$ -йодид магния
Фтороводородная (плавиковая) кислота $HF$	$- F$	фторид	$NaF$ -фторид натрия
Азотная кислота ${HNO}_{3}$	$- {NO}_{3}$	нитрат	${AgNO}_{3}$ -фторид натрия
Азотистая кислота ${HNO}_{2}$	$- {NO}_{2}$	нитрит	${NaNO}_{2}$ -нитрит натрия
Серная кислота $H_{2} {SO}_{4}$	$= {SO}_{4}$	сульфат	${CuSO}_{4}$ -сульфат меди (II)
Сернистая кислота $H_{2} {SO}_{3}$	$= {SO}_{3}$	сульфит	${ZnSO}_{3}$ -сульфит цинка
Сероводородная кислота $H_{2} S$	$= S$	сульфид	$PbS$ -сульфид свинца
Угольная кислота $H_{2} {CO}_{3}$	$= {CO}_{3}$	карбонат	${CaCO}_{3}$ -карбонат кальция
Кремниевая кислота $H_{2} {SiO}_{3}$	$= {SiO}_{3}$	силикат	$K_{2} {SiO}_{3}$ -силикат калия
Ортофосфорная кислота $H_{3} {PO}_{4}$	$\equiv {PO}_{4}$	фосфат	${Ba}_{3} {({PO}_{4})}_{2}$ -фосфат бария

Мы будем рассматривать средние или нормальные соли- это соли, которые образуются при замещении атомами металлов всех атомов водорода. Ниже приведена реакции, обратите внимание, что три атома водорода заменяются тремя атомами натрия.

$H_{3} {PO}_{4} + 3 NaOH \to {Na}_{3} {PO}_{4} + 3 H_{2} O$

На следующем видео мы можете ознакомиться со способами получения солей.

Приведем пример составления химической формулы соли на примере сульфата алюминия и фосфата кальция, вспомним как расставляются индексы, в зависимости от валентности.

1. Пишем рядом химический знак металла и кислотного остатка (все кислотные остатки и их валентности в таблице)

${AlSO}_{4} {CaPO}_{4}$

2. Над химическими знаками металлов и кислотных остатков записывают их валентность.

$\overset{III}{Al} \overset{II}{{SO}_{4}}$ $\overset{II}{Ca} {\overset{III}{PO}}_{4}$

3. Находят наименьшее общее кратное (НОК) чисел, выражающих валентность металла и кислотного остатка.

${\overset{6}{\overset{III}{Al} \overset{II}{SO}}}_{4}$ ${\overset{6}{\overset{II}{Ca} \overset{III}{PO}}}_{4}$

4. НОК делим на валентность металла и кислотного остатка, таким самым находим индекс. Кислотные остатки, если их в молекуле содержится более одного заключают в скобки, перед постановкой индекса.

$\overset{6}{{\overset{III}{Al}}_{2} {\overset{II}{(SO}}_{4}})_{3}$ $\overset{6}{{\overset{II}{Ca}}_{3} {\overset{III}{(PO}}_{4}})_{2}$

Физические свойства солей. Соли - твердые вещества разного цвета. Растворимость их различна.

Химические свойства солей. Посмотрев видеофрагмент "получение средних солей" вы уже ознакомились с некоторыми химическими свойствами. Рассмотрим их подробнее.

1. Соли реагируют с металлами. В этих реакциях важно учитывать рад Н.Н. Бекетова.

K comma space Na comma space Ca comma space Mg comma space Al comma space Zn comma space Fe comma space Ni comma space Sn comma space Pb comma space H comma space Cu comma space Ag comma space Pt comma space Au

Так как эти реакции протекают в водных растворах, то для практических опытов нельзя применять литий, натрий, калий, кальций, барий и другие активные металлы, которые при обычных условиях реагируют с водой.

$\underset{сульфат меди (II)}{{CuSO}_{4}} + Fe \to \underset{сульфат железа (II)}{{FeSO}_{4}} + {Cu}_{↓}$

Наглядно, опыты взаимодействия солей с металлами показан на следующем видео фрагменте.

2. Соли реагируют с кислотами. При проведении этих реакций обычно берут сухую соль и действуют концентрированной кислотой.

${Ca}_{3} {({PO}_{4})}_{2} + 3 H_{2} {SO}_{4} \to 3 {CaSO}_{4} + 2 H_{3} {PO}_{4}$

Наглядно, опыты взаимодействия солей с кислотами показан на следующем видео фрагменте.

3. Соли реагируют с щелочами в водных растворах. Это способ получения нерастворимых оснований.

Примером такой реакции может служить взаимодействие нитрата никеля с гидроксидом натрия.

$\underset{нитрат никеля}{Ni {({NO}_{3})}_{2}} + \underset{гидроксид натрия}{2 NaOH} \to Ni {(OH)}_{2} + 2 {NaNO}_{3}$

Эту же реакцию вы можете наблюдать на следующем видеофрагменте.

4. Соли реагируют с солями. Реакции протекают в растворах и используются для получения практически нерастворимых солей.

Примером такой реакции может служить взаимодействие сульфида натрия с нитратом серебра.

$\underset{сульфид натрия}{{Na}_{2} S} + \underset{нитрат серебра}{2 {AgNO}_{3}} \to \underset{нитрат натрия}{2 {NaNO}_{3}} + \underset{сульфид серебра}{{Ag}_{2} S}$

5. Некоторые соли при нагревании разлагаются. Примером является процесс обжига известняка, основной составной частью которого является карбонат кальция.

$\underset{}{\underset{карбонат кальция}{{CaCO}_{3}} \overset{t}{\to CaO + {CO}_{2}}}$

Давайте подведем итоги и выделим основные таблицы и схемы, которые вам будут необходимы для составления химических реакций.

1. Таблица Менделеева. Таблица, которая вам даст информацию обо всех известных элементах.

2. Таблица валентностей химических элементов.

3. Ряд активности металлов Н.Н. Бекетова.

Напомним как с ним работать:

В ряду металлы расположены в порядке убывающей активности (активные-легко отдают свои валентные электроны).
Каждый металл вытесняет все следующие металлы из растворов их солей.
Водород из разбавленных кислот может вытеснять только металлы, которые в ряду стоят левее его. Металлы же которые стоят правее него, наоборот вытесняются водородом.

4. Таблица растворимости, которая показывает может ли вещество вступать в реакцию с другим веществом. Нажмите на восклицательный знак, чтобы воспроизвести видеофрагмент.

5. Таблица с названиями кислот, кислотными остатками и соответствующие им соли.

Перед тестом предлагаем немного по тренироваться. Для этого необходимо выполнить все задания.

Задание 1

Задание 2