Атомно-молекулярное учение. Основные понятия и законы химии

 

Реакция сульфида натрия с дихроматом натрия в присутствии серной кислоты:

3Na2S + Na2Cr2O7 + 7H2SO4 →3S +Cr2(SO4)3 + 4Na2SO4 + 7H2O.

S2- -2℮ → S0                                               3 восстановитель

Cr2O72- + 14H+ + 6℮ → 2Cr3+ + 7H2O        1 окислитель

 

Реакция озона с иодидом калия в водном растворе:

O3 +2KI + H2O →  I2 + 2KOH + O2

 

Реакция концентрированной серной кислоты с сероводородом:

H2SO4(конц) + H2S → 2H2O + SO2 + S

SO42- + 4H+ + 2℮ → SO2 + 2H2O      1 окислитель

S2- -2℮ → S0                                      1 восстановитель

 

 

 

 

б) Напишите уравнения реакций, соответствующих превращениям:

PbS → PbSO4 → Na2SO4 → NaHSO4 → Na2S2O7 → Na2SO4

 

1. PbS + 4H2O2 → PbSO4 + 4H2
2. PbSO4 + Na2S → PbS↓ + Na2SO4

Pb2+ + S2- → PbS↓

3. Na2SO4 + H2SO4 → 2NaHSO4

SO42- + 2H+ + SO42- →2HSO4-

4. 2NaHSO4 t→ Na2S2O7 + H2O
5. Na2S2O7 + H2O → Na2SO4 + H2SO4

S2O72- + H2O → 2SO42- + 2H+

 

 

 

Тема XII. Азот

 

0. Изобразите графическую формулу и рассмотрите строение катиона аммония (тип и полярность связей, тип гибридизации орбиталей центрального атома N, геометрическую форму и полярность иона). Чем определяется состав продуктов термического разложения различных солей аммония? Как получают соли аммония? Какие из них и где находят широкое практическое применение?

 

Катион аммония NH4+ образуется по донорно-акцепторному механизму путём присоединения протона к аммиаку:

NH3 + H+ → NH4+

Связи в катионе ковалентные полярные, тип гибридизации sp3:

7N 1s22s22p3

Соли аммония термически неустойчивы. Соли кислот-неокислителей при нагревании обратимо разлагаются на аммиак и кислоту (или ангидрид кислоты и воду):

NH4Cl ↔ NH3 + HCl

(NH4)2CO3 ↔ 2NH3 + CO2 + H2O

Соли кислот-окислителей претерпевают внутримолекулярное окисление-восстановление и разлагаются необратимо:

2(NH4)2CrO4 → Cr2O3 + N2 + 2NH3 + 5H2O

2NH4ClO3 → Cl2 + O2 + N2 + 4H2O

Получают соли аммония при взаимодействии аммиака или гидроксида аммония с кислотами.

Широкое практическое применение солей аммония это:

• Нитрат аммония (аммиачная селитра) NH4NO3 применяют как азотное удобрение и для изготовления взрывчатых веществ — аммонитов;

• Сульфат аммония (NH4)2SO4 — как дешёвое азотное удобрение;

• Гидрокарбонат аммония NH4HCO3 и карбонат аммония (NH4)2CO3 — в пищевой промышленности при производстве мучных кондитерских изделий в качестве химического разрыхлителя, при крашении тканей, в производстве витаминов, в медицине;

• Хлорид аммония (нашатырь) NH4Cl — в гальванических элементах (сухих батареях), при пайке и лужении, в текстильной промышленности, как удобрение, в ветеринарии.

 

 

 

а) Перечислите важнейшие азотсодержащие удобрения и приведите реакции их получения. В каком из этих удобрений массовая доля азота наибольшая?

 

К азотным удобрениям относятся:

•  мочевина, или карбамид (45-46% азота)

Получение:

2NH3 + CO2 → H2NCONH2 + H2O

• аммиачная селитра (34-35,5% азота) - NH4NO3

Получение:

1.способ:

NH3 + HNO3 → NH4NO3

2.способ:

3H2 + N2 → 2NH3 (при давлении, высокой температуре и ктализаторе)

NH3 + 2O2 → HNO3 + H2O

HNO3 + NH3 → NH4NO3

• сульфат аммония (20,5-21,0% азота) – (NH4)2SO4

получение:

2NH3 + H2SO4 → (NH4)2SO4

• натриевая селитра (16% азота) – NaNO3

Получение:

21Na + 26HNO3 → 21NaNO3 + NO↑ + N2O↑ + N2↑ + 13H2O

Na2O + 2HNO3 → 2NaNO3 + H2O

NaOH + HNO3 → NaNO3 + H2O

• кальциевая селитра(24% азота) – Ca(NO3)2

Получение:

CaCO3 + 2HNO3 → Ca(NO3)2 + CO2 + H2O

 

б) Напишите уравнения реакций, соответствующих превращениям:

KNO3 → NO2 → KNO2 →  NO → NH4NO3 → HNO3

 

1. 4KNO3 → 2K2O + 4NO2 + O2↑

2. 2NO2 + 2KOH → KNO3 + KNO2 + H2O

     N+4 - 1℮ → N+5   1  восстановитель

N+4 + 1℮ → N+3   1  окислитель

3. 2KNO2 + 2H2SO4 + 2KI → I2 + 2NO­+ 2K2SO4 + 2H2O

NO2- + 2H+ + 1℮ → NO + H2O      2 окислитель

2I- -2℮ → I20                                   1 восстановитель

 

4. 2NO + O2 → 2NO2

3NO2 + H2O →2HNO3 + NO

HNO3 + NH4OH → NH4NO3 + H2O

5. 2NH4NO3 +H2SO4 → (NH4)2SO4 + 2HNO3

 

 

 

 

Тема XIII. Фосфор

 

0. Перечислите важнейшие фосфорсодержащие удобрения и напишите уравнения реакций, использующихся для их получения. Как в агрохимии принято выражать содержание фосфора в этих удобрениях? В каком из них массовая доля оксида фосфора(V) максимальна?

 

• Суперфосфат -  смесь Ca(H2PO4)2∙H2O и CaSO4

Получение:

Са3 (РО4)2 + 2H2SO4 → Са(H2PO4)2 + 2CaSO4

Содержит 14-19,5 % P2O5

• Двойной суперфосфат - сновной фосфорсодержащий компонент - моногидрат дигидроортофосфата кальция Ca(H2PO4)2∙H2O

Получение:

Ca3(PO4)2 + 2H2SO4 → Ca(H2PO4)2 + 2CaSO4

Содержит  43-49 % P2O5

• Аммофос - В основном состоит из моноаммонийфосфата NH4H2PO4 и частично диаммонийфосфата (NH4)2HPO4

Получение:

2H3PO4 + 3NH3 → NH4H2PO4 + (NH4)2HPO4

Содержит 45—52 % Р2О5

• Преципитат - концентрированное фосфорное удобрение состава CaHPO4∙2H2O

Получение:

H3PO4 + Ca(OH)2 → CaHPO4∙2H2O

Содержит  I-ый сорт не менее 31 % P2O5, II-ой сорт — 27 % P2O5

 

а) Составьте уравнения реакций взаимодействия оксида фосфора(V) с концентрированной серной кислотой; белого фосфора с гидроксидом натрия в водном растворе при нагревании; ортофосфорной кислоты с аммиаком.

 

Взаимодействие оксида фосфора (V) с концентрированной серной кислотой:

Р2О5 + H2SO4(конц)→ 2HPO3 + SO3.

Белый фосфор с гидроксидом натрия в водном растворе при  нагревании:

P4 + 3KOH + 3H2O → PH3­+ 3K[H2PO2]

Ортофосфорная кислота с аммиаком:

Н3PO4 + NH3 → NH4H2PO4

Н3PO4 + 2NH3 →(NH4)2HPO4

Н3PO4 + 3NH3 →(NH4)3PO4

 

 

 

Тема XIV. Углерод. Кремний

 

0. Какие вещества используются для изготовления стекла? Какие реакции осуществляются при его получении? Каков примерный состав оконного стекла? Чем по составу оно отличается от кварцевого стекла? Почему в стеклянной посуде нельзя хранить концентрированные растворы щелочей и фтороводородную кислоту?

 

Для изготовления стекол используют оксиды: SiO2, B2O3, P2O5, TeO2, GeO2 и фториды: AlF3 и др.

В зависимости от основного используемого стеклообразующего вещества, стекла бывают оксидными (силикатные, кварцевое, германатные, фосфатные, боратные), фторидными, сульфидными и т. д.

Базовый метод получения силикатного стекла заключается в плавлении смеси кварцевого песка (SiO2), соды (Na2CO3) и извести (CaO). В результате получается химический комплекс с составом Na2O∙CaO∙6SiO2.

Состав оконного стекла:

SiO2 – 71,8%

Al2O3 – 2%

MgO – 4,1 %

CaO – 6,7 %

Na2O – 14,8 %

Fe2O3 – 0,1 %

SO3 – 0,5%

Кварцевое стекло, в отличие от оконного, не содержит в своем составе оксиды алюминия, магния, кальция, железа и серы.

Концентрированные растворы едких щелочей не рекомендуется хранить; их готовят непосредственно перед употреблением. Если потребность в хранении все же возникает, используют бутыли из полиэтилена или покрывают стеклянные бутыли изнутри слоем парафина, поскольку концентрированные щелочи выщелачивают стекло. Для нанесения защитного слоя готовят 10—15%-ный раствор парафина в бензине и наливают его в бутыль в таком количестве, чтобы хватило для равномерного смачивания всей внутренней поверхности. Затем бутыль продувают воздухом до полного удаления паров бензина.

Фтористоводородная (плавиковая) кислота разъедает стекло, не действуя на многие органические вещества:

SiO2 + 4HF → SiF4+ 2H2O, поэтому ее нельзя хранить в стеклянной посуде.

 

 

 

а) Составьте уравнения реакций взаимодействия силицида магния с хлороводородной кислотой; оксида углерода(II) с перманганатом калия в присутствии серной кислоты; оксида кремния(IV) с фтороводородной кислотой (избыток).

 

Взаимодействие силицида магния с хлороводородной кислотой:

Mg2Si + 4HCl + 2H2O → 2MgCl2 + SiO2 + 4H2↑

Взаимодействие оксида углерода (II) с перманганатом калия в присутствии серной кислоты:

5СO + 2KMnO4 + 4H2SO4 → 2MnSO4 + 8H2O + 5CO2 + K2SO4

MnO4- + 8H+ +5℮ → Mn2+ + 4H2O   2 окислитель

C+2 - 2℮ →C+4                                    5 восстановитель

Взаимодействие оксида кремния (IV) с фтороводородной кислотой (избыток):

SiO2 + 4HF → SiF4+ 2H2O

 

 

 

 

б) Напишите уравнения реакций, соответствующих превращениям:

Mg2Si → Si → Na2SiO3 → SiO2 → SiCl4 → SiC

 

1. 2Mg2Si + 8HCl → 4MgCl2 + Si + 2H2↑ + SiH4↑
2. Si + 2NaOH + H2O → Na2SiO3 + 2H2↑
3. Na2SiO3 + 2HCl → 2NaCl + SiO2 + H2O
4. SiO2 + 4HCl → SiCl4 + 2H2O
5. SiCl4 + 2Zn → Si + 2ZnCl2

Si + C t→ SiC

 

 

 

 

Тема XV. Металлы группы А (главных подгрупп)

 

0. Какие типы химической связи и какие типы кристаллической решетки характерны для водородных соединений металлов IA – IVA-групп? Приведите соответствующие примеры. Как получают эти гидриды? Как изменяются основные и восстановительные свойства гидридов щелочных и щелочноземельных металлов в группах по мере увеличения атомных номеров элементов?

 

Гидриды щелочных (МеН) и щелочноземельных металлов (МеН2) имеют ионное строение и являются солеобразующими. В водном растворе разлагаются:

МеН + Н2О → МеОН + Н2↑

МеН2 + 2Н2О → Ме(ОН)2 + Н2↑

Получение гидридов щелочных и щелочноземельных металлов (нагревание в струе водорода):

2Na + H2 → 2NaH

Са + Н2 → СаН2

В группе по мере увеличения атомных номеров радиус увеличивается, поэтому степень перекрывания облаков уменьшается и прочность связи уменьшается, следовательно, кислотные свойства увеличиваются, а основные уменьшаются.

Восстановительные свойства гидридов увеличиваются.

 

 

а) Составьте уравнения реакций взаимодействия оксида олова(IV) с гидроксидом калия; надпероксида калия с водой; термического разложения нитрата бериллия.

 

Взаимодействие оксида олова (IV) с гидроксидом калия:

• Растворение

SnO2 + 2KOH + 2H2O t→ K2[Sn(OH)6]

• Сплавление

SnO2 + 2KOH t→ K2SnO3 + H2O

 

Взаимодействие надпероксида калия с водой:

4K2O + 2H2O → 4KOH + 3O2↑

 

Термическое разложение нитрата бериллия:

Be(NO3)2 → BeO + 2NO2 + O2

 

 

 

б) Напишите уравнения реакций, соответствующих превращениям: 

Pb → Pb(OH)2 → PbO2 → Pb3O4 → PbCl2 → H2[PbCl6].

 

1. 2Pb + O2 + 2H2O → 2Pb(OH)2
2. Pb(OH)2 t→ PbO2 + H2O
3. PbO2 + PbO t→ PbO∙PbO2 (Pb2O3)
4. Pb3O4 + 8HCl → 3PbCl2 + Cl2 + 4H2O
5. PbCl2 + Cl2 + 2HCl → H2[PbCl6].

 

 

Тема XVI. Металлы групп В (побочных подгрупп)

 

0. Каковы особенности строения атомов d-элементов, отличающие их от s- и p-элементов? Какие электроны являются валентными в атомах d-элементов? Всегда ли высшие степени окисления d-элементов численно равны номерам соответствующих групп? Приведите примеры. Почему катионы и атомы d-элементов являются типичными комплексообразователями, образующими наиболее прочные  комплексные частицы?

 

Характерной особенностью элементов d-блока является то, что в их атомах последними заполняются орбитали не внешнего слоя (как у s- и p-элементов), а предвнешнего [(n - 1)d] слоя. В связи с этим, у d-элементов валентными являются энергетически близкие девять орбиталей – одна ns-орбиталь, три nр-орбитали внешнего и пять (n - 1)d-орбиталей предвнешнего энергетического уровней.

Элементы d-блока находящиеся в III, IV, V, VI, VII B группах имеют незавершенный d-электронный слой (предвнешний энергетический уровень). Такие электронные оболочки неустойчивы. Этим объясняется переменная валентность и возможность проявлять различные степени окисления d-элементов. Степени окисления элементов d-блока в соединениях всегда только положительные.

Возможность создания химических связей с участием d-электронов и свободных d-орбиталей обуславливает ярко выраженную способность d-элементов к образованию устойчивых комплексных соединений.

При низких степенях окисления для d-элементов более характерны катионные, а при высоких – анионные октаэдрические комплексы.

КЧ d-элементов непостоянны, это четные числа от 4 до 8, реже 10,12.

Используя незаполненные d-орбитали и неподеленные пары d-электронов на предвнешнем электронном слое, d-элементы способны выступать как донорами электронов – дативная связь, так и акцепторами электронов.

 

 

 а) Перечислите важнейшие природные соединения железа. Какие химические реакции используются для его промышленного получения? Как получают особо чистое «карбонильное» железо? Чем по составу и механическим свойствам чугун отличается от стали? Какие компоненты входят в состав нержавеющих сталей?

 

Известно большое число руд и минералов, содержащих железо. Наибольшее практическое значение имеют красный железняк (гематит, Fe2O3; содержит до 70 % Fe), магнитный железняк (магнетит, FeFe2O4, Fe3O4; содержит 72,4 % Fe), бурый железняк или лимонит (гётит и гидрогётит, соответственно FeOOH и FeOOH·nH2O). 

В промышленности железо получают из железной руды, в основном из гематита (Fe2O3) и магнетита (FeO·Fe2O3).

Процесс прямого получения железа:

Fe2O3 + 3H2 1000 C→ 2Fe + 3H2O

Доменный процесс:

2С + О2 → 2СО↑

3СО + Fe2O3 → 2Fe + 3CO2↑

Особо чистое карбонильное железо содержит не более 0,005% углерода. Его получают путем разложения пентакарбонила железа Fe(CO)5, представляющего собой желтоватую жидкость, устойчивую на воздухе.