Е.Н.ФРЕНКЕЛЬ

Самоучитель по химии

Пособие для тех, кто не знает, но хочет узнать и понять химию

Часть I. Элементы общей химии
(первый уровень сложности)

От автора Я, Френкель Евгения Николаевна, заслуженный работник высшей школы РФ, выпускница химического факультета МГУ 1972 г., педагогический стаж 34 года. Кроме того, я мать троих детей и бабушка четырех внуков, старший из которых школьник. Меня волнует проблема школьных учебников. Главная беда многих из них – тяжелый язык, который требует дополнительного «перевода» на понятный школьнику язык изложения учебного материала. Ко мне часто обращаются ученики средней школы с такой просьбой: «Переведите текст учебника, чтобы понятно было». Поэтому я написала «Самоучитель по химии», в котором многие сложные вопросы изложены вполне доступно и в то же время научно. На основе этого «Самоучителя», который был написан в 1991 г., я разработала программу и содержание подготовительных курсов. На них обучались сотни школьников. Многие из них начинали с нуля и за 40 занятий понимали предмет настолько, что сдавали экзамены на «4» и «5». Поэтому в нашем городе мои пособия-самоучители расходятся как горячие пирожки. Может, и другим пригодятся мои наработки?

Предисловие

Уважаемые читатели! Предлагаемый вашему вниманию «Самоучитель по химии» – не обычный учебник. В нем не просто излагаются какие-то факты или описываются свойства веществ. «Самоучитель» объясняет и учит даже в том случае, если вы, к сожалению, не знаете и не понимаете химии, а к учителю обратиться за разъяснениями не можете или стесняетесь. В виде рукописи эта книга используется школьниками с 1991 г., и не было ни одного ученика, который бы провалился на экзамене по химии и в школе, и в вузах. Причем многие из них совсем не знали химии.

«Самоучитель» рассчитан на самостоятельную работу ученика. Главное – отвечать по ходу чтения на те вопросы, которые встречаются в тексте. Если вы не смогли ответить на вопрос, то читайте внимательнее текст еще раз – все ответы имеются рядом. Желательно также выполнять все упражнения, которые встречаются по ходу объяснения нового материала. В этом помогут многочисленные обучающие алгоритмы, которые практически не встречаются в других учебниках. С их помощью вы научитесь:

составлять химические формулы по валентности;

составлять уравнения химических реакций, расставлять в них коэффициенты, в том числе в уравнениях окислительно-восстановительных процессов;

составлять электронные формулы (в том числе краткие электронные формулы) атомов и определять свойства соответствующих химических элементов;

предсказывать свойства некоторых соединений и определять, возможен данный процесс или нет.

В пособии два уровня сложности. Самоучитель первого уровня сложности состоит из трех частей.

I часть. Элементы общей химии (публикуемая).

II часть. Элементы неорганической химии.

III часть. Элементы органической химии.

Книг второго уровня сложности тоже три.

Теоретические основы общей химии.

Теоретические основы неорганической химии.

Теоретические основы органической химии.

 

Глава 1. Основные понятия химии

Что такое химия? Где мы встречаемся с химическими явлениями?

Химия – везде. Сама жизнь – это бесчисленное множество разнообразных химических реакций, благодаря которым мы дышим, видим голубое небо, ощущаем изумительный запах цветов.

Что изучает химия?

Химия изучает вещества, а также химические процессы, в которых участвуют эти вещества.

Что такое вещество?

Вещество – это то, из чего состоит окружающий нас мир и мы сами.

Что такое химический процесс (явление)?

К химическим явлениям относятся процессы, в результате которых изменяется состав или строение молекул, образующих данное вещество*. Изменились молекулы – изменилось вещество (оно стало другим), изменились его свойства. Например, свежее молоко стало кислым, зеленые листья стали желтыми, сырое мясо при обжаривании изменило запах.

Все эти изменения – следствие сложных и многообразных химических процессов. Однако признаки простых химических реакций, в результате которых изменяется состав и строение молекул, такие же: изменение цвета, вкуса или запаха, выделение газа, света или тепла, появление осадка.

Что же такое молекулы, изменение которых влечет за собой столь разнообразные проявления?

Молекулы – это мельчайшие частицы вещества, отражающие его качественный и количественный состав и его химические свойства.

Изучая состав и строение одной молекулы, можно предсказать многие свойства данного вещества в целом. Такие исследования – одна из главных задач химии.

Как устроены молекулы? Из чего они состоят?

Молекулы состоят из атомов. Атомы в молекуле соединены при помощи химических связей. Каждый атом обозначается при помощи символа (химического знака). Например, Н – атом водорода, О – атом кислорода.

Число атомов в молекуле обозначают при помощи индекса – цифры внизу справа после символа.

Например:

Примеры молекул:

О₂ – это молекула вещества кислорода, состоящая из двух атомов кислорода;

Н₂О – это молекула вещества воды, состоящая из двух атомов водорода и одного атома кислорода.

Если атомы не связаны химической связью, то их число обозначают при помощи коэффициента – цифры перед символом:

Аналогично изображают число молекул:

2Н₂ – две молекулы водорода;

3Н₂О – три молекулы воды.

Почему атомы водорода и кислорода имеют разные названия и разные символы? Потому что это атомы разных химических элементов.

Химический элемент – это вид атомов с одинаковым зарядом ядер.

Что такое ядро атома? Почему заряд ядра является признаком принадлежности атома к данному химическому элементу? Чтобы ответить на эти вопросы, следует уточнить: изменяются ли атомы в химических реакциях, из чего состоит атом?

Нейтральный атом не имеет заряда, хотя и состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов:

В ходе химических реакций число электронов любого атома может изменяться, а вот заряд ядра атома не меняется. Поэтому заряд ядра атома – своеобразный «паспорт» химического элемента. Все атомы с зарядом ядра +1 принадлежат химическому элементу под названием водород. Атомы с зарядом ядра +8 относятся к химическому элементу кислороду.

Каждому химическому элементу присвоен химический символ (знак), порядковый номер в таблице Д.И.Менделеева (порядковый номер равен заряду ядра атома), определенное название, а для некоторых химических элементов – особое прочтение символа в химической формуле (табл. 1).

Таблица 1

Символы (знаки) химических элементов

Вещества бывают простые и сложные. Если молекула состоит из атомов одного химического элемента, это простое вещество. Простые вещества – Са, Сl₂, О₃, S₈ и т. д.

Молекулы сложных веществ состоят из атомов разных химических элементов. Сложные вещества – H₂O, NO, H₃PO_4, C₁₂H₂₂O₁₁ и т. д.

Задание 1.1. Укажите число атомов в молекулах сложных веществ H₂O, NO, H₃PO₄, C₁₂H₂₂O₁₁, назовите эти атомы.

Возникает вопрос: почему для воды всегда записывается формула Н₂О, а не НО или НО₂? Опыт доказывает, что состав воды, полученной любым способом или взятой из любого источника, всегда соответствует формуле Н₂О (речь идет о чистой воде).

Дело в том, что атомы в молекуле воды и в молекуле любого другого вещества соединены при помощи химических связей. Химическая связь соединяет как минимум два атома. Поэтому, если молекула состоит из двух атомов и один из них образует три химические связи, то другой также образует три химические связи.

Число химических связей, образуемых атомом, называют его валентностью.

Если обозначить каждую химическую связь черточкой, то для молекулы из двух атомов АБ получим АБ, где тремя черточками показаны три связи, образуемые элементами А и Б между собой.

В данной молекуле атомы А и Б трехвалентны.

Известно, что атом кислорода двухвалентен, атом водорода одновалентен.

В о п р о с. Сколько атомов водорода может присоединиться к одному атому кислорода?

О т в е т. Два атома. Состав воды описывают формулой Н–О–Н, или Н₂О.

П о м н и т е! В устойчивой молекуле не может быть «свободных», «лишних» валентностей. Поэтому для двухэлементной молекулы число химических связей (валентностей) атомов одного элемента равно общему числу химических связей атомов другого элемента.

Валентность атомов некоторых химических элементов постоянна (табл. 2).

Таблица 2

Значение постоянных валентностей некоторых элементов

Для других атомов валентность** можно определить (вычислить) из химической формулы вещества. При этом нужно учитывать изложенное выше правило о химической связи. Например, определим валентность x марганца Mn по формуле вещества MnO₂:

Общее число химических связей, образуемых одним и другим элементом (Mn и О), одинаково:
x · 1 = 4; II · 2 = 4. Отсюда х = 4, т.е. в этой химической формуле марганец четырехвалентен.

П р а к т и ч е с к и е  в ы в о д ы

1. Если один из атомов в молекуле одновалентен, то валентность второго атома равна числу атомов первого элемента (см. на индекс!):

2. Если число атомов в молекуле одинаково, то валентность первого атома равна валентности второго атома:

3. Если у одного из атомов индекс отсутствует, то его валентность равна произведению валентности второго атома на его индекс:

4. В остальных случаях ставьте валентности «крест-накрест», т.е. валентность одного элемента равна индексу другого элемента:

Задание 1.2. Определите валентности элементов в соединениях:

CO₂, CO, Mn₂O₇, Cl₂O, P₂O₃, AlP, Na₂S, NH₃, Mg₃N₂.

П о д с к а з к а. Сначала укажите валентность атомов, у которых она постоянная. Аналогично определяется валентность атомных групп ОН, РО₄, SО₄ и др.

Задание 1.3. Определите валентности атомных групп (в формулах подчеркнуты):

H₃PO₄, Ca(OH)₂, Ca₃(PO₄)₂, H₂SO₄, CuSO₄.

(Обратите внимание! Одинаковые группы атомов имеют одинаковые валентности во всех соединениях.)

Зная валентности атома или группы атомов, можно составить формулу соединения. Для этого пользуются следующими правилами.

• Если валентности атомов одинаковы, то и число атомов одинаково, т.е. индексы не ставим:

• Если валентности кратны (обе делятся на одно и то же число), то число атомов элемента с меньшей валентностью определяем делением:

• В остальных случаях индексы определяют «крест-накрест»:

Задание 1.4. Составьте химические формулы соединений:

Вещества, состав которых отражают химические формулы, могут участвовать в химических процессах (реакциях). Графическая запись, соответствующая данной химической реакции, называется уравнением реакции. Например, при сгорании (взаимодействии с кислородом) угля происходит химическая реакция:

С + O₂ = CO₂.

Запись показывает, что один атом углерода С, соединяясь с одной молекулой кислорода O₂, образует одну молекулу углекислого газа СО₂. Число атомов каждого химического элемента до и после реакции должно быть одинаково. Это правило – следствие закона сохранения массы вещества. Закон сохранения массы: масса исходных веществ равна массе продуктов реакции.

Закон был открыт в XVIII в. М.В.Ломоносовым и, независимо от него, А.Л.Лавуазье.

Выполняя этот закон, необходимо в уравнениях химических реакций расставлять коэффициенты так, чтобы число атомов каждого химического элемента не изменялось в результате реакции. Например, при разложении бертолетовой соли KClO₃ получается соль KСl и кислород О₂:

KClO₃ KСl + О₂.

Число атомов калия и хлора одинаково, а кислорода – разное. Уравняем их:

Теперь изменилось число атомов калия и хлора до реакции. Уравняем их:

Наконец, между правой и левой частями уравнения можно поставить знак равенства:

2KClO₃ = 2KСl + 3О₂.

Полученная запись показывает, что при разложении сложного вещества KClO₃ получаются два новых вещества – сложное KСl и простое – кислород O₂. Числа перед формулами веществ в уравнениях химических реакций называют коэффициентами.

При подборе коэффициентов необязательно считать отдельные атомы. Если в ходе реакции не изменился состав некоторых атомных групп, то можно учитывать число этих групп, считая их единым целым. Составим уравнение реакции веществ CaCl₂ и Na₃PO₄:

CaCl₂ + Na₃PO₄ ……………… .

П о с л е д о в а т е л ь н о с т ь  д е й с т в и й

1) Определим валентность исходных атомов и группы PO₄:

2) Напишем правую часть уравнения (пока без индексов, формулы веществ в скобках надо уточнить):

3) Составим химические формулы полученных веществ по валентностям составных частей:

4) Обратим внимание на состав самого сложного соединения Ca₃(PO₄)₂ и уравняем число атомов кальция (их три) и число групп РО₄ (их две):

5) Число атомов натрия и хлора до реакции теперь стало равным шести. Поставим соответствующий коэффициент в правую часть схемы перед формулой NaCl:

3CaCl₂ + 2Na₃PO₄ = Ca₃(PO₄)₂ + 6NaCl.

Пользуясь такой последовательностью, можно уравнять схемы многих химических реакций (за исключением более сложных окислительно-восстановительных реакций, см. главу 7).

Типы химических реакций. Химические реакции бывают разных типов. Основными являются четыре типа – соединение, разложение, замещение и обмен.

1. Реакции соединения – из двух и более веществ образуется одно вещество:

А + В АВ.

Например:

Са + Сl₂ = CaCl₂.

2. Реакции разложения – из одного вещества получаются два вещества или более:

АВ А + В.

Например:

Ca(HCO₃)₂ CaCO₃ + CO₂ + H₂O.

3. Реакции замещения – реагируют простое и сложное вещества, образуются также простое и сложное вещества, причем простое вещество замещает часть атомов сложного вещества:

А + ВХ АХ + В.

Например:

Fe + CuSO₄ = Cu + FeSO₄.

4. Реакции обмена – здесь реагируют два сложных вещества и получаются два сложных вещества. В ходе реакции сложные вещества обмениваются своими составными частями:

АВ + XY АY + XВ.

Например:

Al(OH)₃ + 3HCl = AlCl₃ + 3H₂O.

Существуют и другие типы химических реакций.

Задание 1.5. Расставьте коэффициенты в схемах реакций:

Na + Cl₂ NaCl,

NaHCO₃ Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O,

Fe + AgNO₃ Fe(NO₃)₂ + Ag,

Fe(OH)₃ + HCl FeСl₃ + H₂O.

Задание 1.6. Расставьте коэффициенты и определите типы химических реакций:

Fe(OH)₃ Fe₂O₃ + H₂O,

Al + H₂SO₄ Al₂(SO₄)₃ + H₂,

HNO₃ + Cu(OH)₂ Cu(NO₃)₂ + H₂O,

P + O₂ P₂O₅.

Выводы по главе 1. Вещества состоят из молекул, молекулы состоят из атомов, атомы с одинаковым зарядом ядра относятся к одному и тому же химическому элементу.

Вещества бывают простые и сложные. Состав веществ показывают при помощи химических формул. Формулы веществ составляют, учитывая валентности составных частей. Запись химического процесса при помощи формул называется уравнением химической реакции. Химические реакции бывают разных типов: обмена, замещения, разложения, соединения и др.

Упражнения к главе 1

1. Выучите табл. 1. Проверьте себя, напишите химические символы: серы, цинка, олова, магния, марганца, калия, кальция, свинца, железа и фтора.

2. Напишите символы химических элементов, которые в формулах произносятся как: «аш», «о», «купрум», «эс», «пэ», «гидраргирум», «станнум», «плюмбум», «эн», «феррум», «це», «аргентум». Назовите эти элементы.

3. Укажите число атомов каждого химического элемента в формулах соединений:

Al₂S₃, СаS, МnО₂, NH₃, Mg₃P₂, SO₃.

4. Определите, какие из веществ – простые, а какие – сложные:

Na₂O, Na, O₂, CaCl₂, Cl₂.

Прочитайте формулы этих веществ.

5. Выучите табл. 2. Составьте химические формулы веществ по известной валентности элементов и атомных групп:

6. Определите валентность химических элементов в соединениях:

N₂O, Fe₂O₃, PbO₂, N₂O_5, HBr, SiH₄, H₂S, MnO, Al₂S₃.

7. Расставьте коэффициенты и укажите типы химических реакций:

а) Mg + O₂ MgO;

б) Al + CuCl₂ AlCl₃ + Cu;

в) NaNO₃ NaNO₂ + O₂;

г) AgNO₃ + BaCl₂ AgCl + Ba(NO₃)₂;

д) Al + HCl AlCl₃ + H₂;

е) KOH + H₃PO₄ K₃PO₄ + H₂O;

ж) CH₄ C₂H₂ + H₂.

* Существуют вещества, построенные не из молекул. Но об этих веществах речь пойдет позже (см. главу 4).

** Строго говоря, по нижеизложенным правилам определяют не валентность, а степень окисления (см. главу 7). Однако во многих соединениях числовые значения этих понятий совпадают, поэтому по формуле вещества можно определять и валентность.

Печатается с продолжением