Атомы входят в состав молекул. Формулы молекул отражают, сколько и каких атомов входит в их состав.

Примеры:

Молекула воды – Н₂О - состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода;

Молекула серной кислоты - H₂SO₄ - содержит два атома водорода, один атом серы и 4 атома кислорода;

Молекула хлорида кальция – CaCl₂ – содержит один атом кальция и два атома хлора.

Степени окисления

В соответствии с гипотезой Берцелиуса атомы в молекулах сложных веществ имеют положительные или отрицательные заряды, обеспечивающие их взаимное притяжение и устойчивость молекулы. Молекула в целом электронейтральна – сумма всех положительных зарядов равна сумме всех отрицательных. В большинстве учебников эти заряды атомов называют степенями окисления.

Удобно помнить, что в большинстве своих соединений водород имеет степень окисления +1, а кислород -2. Молекула воды Н₂О электронейтральна, так как два положительных заряда двух атомов водорода «нейтрализуются» двумя отрицательными зарядами одного атома кислорода.

Знание постоянных степеней окисления водорода и кислорода позволяет рассчитывать степени окисления других элементов, если известна формула молекулы. Это приходится часто делать, поскольку многие элементы в разных соединениях могут проявлять разные степени окисления. Относительным постоянством обладают только водород, кислород, щелочные и щелочно-земельные металлы.

Так электронейтральность молекулы сероводорода Н₂S требует, чтобы в ней сера имела заряд -2 (ведь два водорода дали два плюса).

В молекуле оксида серы SO₂ сера должна иметь степень окисления +4 (ее заряд должен компенсировать четыре минуса двух атомов кислорода).

В молекуле серной кислоты H₂SO₄, куда входят два водорода (с «капиталом» +2, четыре кислорода (с «капиталом» -8) сера обязана иметь заряд +6. Любое иное значение не обеспечит электронейтральность H₂SO₄.

Упражнение 1. Рассчитайте степени окисления выделенных элементов в соединениях: H Cl, H Cl O, N O, N ₂O₅, H N O₂, H₂ Si O₃. Закрепите в своем сознании тот факт, что молекула электронейтральна, водород имеет заряд +1, а кислород -2. Сверьте свои результаты с правильными ответами: -1, +1, +2, +5, +3 и +4, соответственно.

 

Составление формул химических соединений

Величины степеней окисления обычно учитываются при составлении формул химических соединений. Это очень помогает, так как уменьшает потребность в заучивании формул.

Еще раз вспомним, что молекулы состоят из атомов. Атомы обозначаются символами элементов. Подстрочные индексы после символа указывают, сколько атомов этого элемента томится в данной молекуле. Атомы имеют положительные или отрицательные заряды, которые и стянули их в молекулу. Молекула же электронейтральна, что достигается тщательнейшим подбором необходимых индексов с учетом степеней окисления элементов.

Пусть элемент А со степенью окисления +3 старается образовать молекулу с элементом В, имеющим степень окисления -4. Расположившись рядом, атомы А и В внимательно посмотрят на заряды предполагаемых партнеров

А⁺³В^-4,

проведут необходимые расчеты и утвердят индексы для формулы своей молекулы

А₄В₃,

в которой 12 положительных зарядов четырех атомов А блокируются двенадцатью отрицательными зарядами трех атомов В. В результате получилась простейшая электронейтральная формула.

Если нам неизвестны степени окисления, то формулу молекулы мы не можем составить, и вынуждены выкручиваться за счет памяти, подсматривания или угадывания. Поскольку соединений много, то проще научиться составлять их формулы, чем запоминать. Здесь две трудности – химическая - необходимость знать степени окисления и арифметическая - умение считать в пределах примерно от -12 до +12. Читая дальнейший текст, вы научитесь или вспомните, как узнавать эту степень окисления, столь необходимую для составления химических формул.

 

Оксиды

Оксиды – это бинарные соединения элементов с кислородом. Иная формулировка - оксиды – это соединения из двух элементов, одним из которых является кислород.

Вам уже, наверно, удалось запомнить, что кислород в оксидах, как и в большинстве сложных соединений, имеет степень окисления -2. Партнер кислорода в оксиде всегда имеет положительный заряд. (Отрицательно заряженные атомы будут отталкиваться от отрицательного кислорода).

Оксиды элементов со степенью окисления +1 будут иметь формулы вида Н₂О, Na₂O, Cl₂O, N₂O; со степенью окисления +2 - вида CaO, MgO, CO, NO; со степенью окисления +3 - Al₂O₃, Cl₂O₃, N₂O₃ и т.д.

Скорее всего, вы уже давно думаете о главной загвоздке - степени окисления. Знать бы ее... Это действительно непростой вопрос, так как большинство элементов в зависимости от обстоятельств могут проявлять разную степень окисления. Для ее выяснения есть несколько способов.

Надежную, но неполную информацию дает периодическая таблица. Одна из положительных степеней окисления каждого элемента совпадает с номером группы (вертикального столбца), в которой он находится. Эта степень окисления является высшей, и у многих элементов, кроме первой и второй групп, не единственной. Это позволяет при отсутствии другой информации безошибочно составить формулу хотя бы одного оксида любого элемента.

Упражнение 2. Составьте формулы высших оксидов калия, бария, бора, кремния, фосфора, селена, марганца. Заодно познакомьтесь с символами этих элементов. Сверьте свои результаты с правильными ответами: K₂O, BaO, B₂O₃, SiO₂, P₂O₅, SeO₃, Mn₂O₇.

Полезно также помнить, что большинство металлов, кроме первой группы, способны проявлять степень окисления +2. Однако, железо бывает +2 и +3, медь +1 и +2, золото +1 и +3. Легально всегда можно пользоваться данными о зарядах катионов из таблицы растворимости солей типа табл.2 в приложении 2.

Упражнение 3. Воспользовавшись таблицей растворимости, составьте формулы оксидов лития, стронция, цинка, свинца, железа (Ш) и железа (П). Выувидели, что в двусмысленных случаях (как с Fe) в условии задается конкретизация. Сверьтесь с правильными ответами: Li₂O, SrO, ZnO, PbO, Fe₂O₃, FeO.

Третий и самый надежный способ установить степень окисления - воспользоваться известной или данной формулой соединения- предшественника, как вы это делали в упражнении 1 (стр.72). Пусть надо составить формулу оксида фосфора, соответствующего кислоте Н₃РО₃. Зная постоянные заряды водорода (+1) и кислорода (-2) и количества их атомов в молекуле, находим из условия ее электронейтральности степень окисления в ней фосфора, равную +3. Соответствующий оксид теперь сможет написать даже мистер Ватсон: Р₂О₃.

Упражнение 4. Составьте формулы оксидов выделенных элементов, соответствующих соединениям: H Cl O₂, H Cl O₃, H Cl O₄, H Cr O₂, H₂ Cr ₂O₇, H N O₂, H N O₃, H₂ C O₃, H C OOH. Почувствуйте полигамию этих элементов по отношению к своей степени окисления. Сверьтесь с правильными ответами: Cl₂O₃, Cl₂O₅, Cl₂O₇, Cr₂O₃, CrO₃, N₂O₃, N₂O₅, CO₂, CO.

Еще одна возможность выяснения степени окисления часто вытекает из правильного названия оксида в случае ее неоднозначности: оксид меди (1) – естественно Cu₂O, титана (1У) – TiO₂, высшего оксида ванадия – V₂O₅.

 

Кислоты

Формулы кислот выводим путем примитивного сложения формулы кислотного оксида с молекулой воды:

CO₂ + H₂O = H₂CO₃ – угольная кислота:

SO₃ + H₂O = H₂SO₄ – серная кислота;

N₂O₅ + H₂O = H₂N₂O₆ = 2 HNO₃ – азотная кислота;

Cl₂O₇ + H₂O = H₂Cl₂O₈ = 2 HClO₄ – хлорная кислота.

Обращаем внимание, что в двух последних случаях после сложения найдены простейшие формулы образовавшихся молекул.

Отметим, что степени окисления элементов в этих реакция не меняются.

Полезно также вспомнить, что кислотные оксиды образуют неметаллы в любой степени окисления (три исключения: NO, N₂O, CO) и металлы в степени окисления +4 или выше.

Упражнение 5. Составьте формулы ниобиевой, циркониевой и хромовой кислот, соответствующих их высшим оксидам. Здесь нарочно подобраны малознакомые элементы, чтобы можно было убедиться в отсутствии необходимости запоминания формул. Сверьтесь с правильными ответами: HNbO₃, H₂ZrO₃, H₂CrO₄.

В таблице 1 риложения 2 приведены формулы и названия наиболее употребительных кислот и их нормальных солей.

 

Основания

Основания имеют общую формулу

М(ОН)_х.

Здесь М – металл в степени окисления от +1 до +3. ОН^- - гидроксильная группа или гидроксил: ее заряд складывается из степени окисления кислорода (-2) и водорода (+1). Количество гидроксильных групп (х) в молекуле основания равно степени окисления металла. Величины степеней окисления металлов, образующих основания, представлены в таблице растворимости (табл.2 в приложении 2).

Примеры: гидроксид натрия NaOH;

гидроксид магния Mg(OH)₂;

гидроксид железа (П) Fe(OH)₂;

гидроксид железа (Ш) Fe(OH)₃.

 

Нормальные (средние) соли

Выше рассмотрено составление формул трех основных классов неорганических соединений – оксидов, кислот и оснований. Осталось рассмотреть четвертый и последний класс – соли. На этом изучение азов химической грамотности можно будет считать законченным.

Нормальная соль представляет собой соединение металла с кислотным остатком. Новеньким здесь является то, что партнером положительно заряженного атома металла в соли является не один отрицательный элемент, как в оксидах, а чаще всего группа атомов, называемая кислотным остатком. И конечно, при составлении формулы электронейтральной молекулы соли удобно учитывать заряд сразу всей группы.

Заряд кислотного остатка плавно вытекает из формулы соответствующей кислоты. Кислотный остаток – это «овдовевшая» часть кислоты, которая остается после того, когда молекулу кислоты покидает водород. Поскольку водород уходит вместе со своим положительным зарядом, то кислотный остаток имеет отрицательный заряд, сохраняя надежду на соединение с какой-нибудь положительной частицей.

Вспомним некоторые определения. Нейтральные молекулы кислот, оснований и солей способны в воде распадаться на положительно и отрицательно заряженные частицы. Эти заряженные частицы называют ионами. Положительно заряженные ионы называют катионами, отрицательно заряженные – анионами. Вещества, способные распадаться на ионы называют электролитами. Процесс распада молекул электролитов на ионы называется электролитической диссоциацией.

При диссоциациикислот всегда отщепляются катионы водорода (Н⁺). Величина отрицательного заряда кислотного остатка в точности равна количеству ушедших ионов водорода, так как после ухода каждого «плюса» разблокируется один «минус».

Примеры диссоциации кислот:

HNO₃ = H⁺ + NO₃^1- (или NO₃^-);

H₂SO₄ = 2 H⁺ + SO₄^2-;

H₃PO₄ = 3 H⁺ + PO₄^3-.

Отметим, что правильнее было бы брать весь кислотный остаток в скобки и потом проставлять величину его заряда, чтобы не путать со степенью окисления кислорода. Видимо, чтобы не затруднять печатные станки созданием лишних скобок, химики договорились знак заряда иона ставить после цифры. Величины степеней окисления атомов записывают +1; +2; +3; -1; -2; -3 и т.д. Значения зарядов ионов пишут справа вверху формулы иона так: 1+; 2+; 3+; 1-; 2-; 3- и т.д. Цифру 1 часто в этих записях опускают. Никакой принципиальной ошибки при нарушении этих правил, естественно, не возникает.

Нормальные соли состоят из атомов металла и обычных кислотных остатков. Если известны заряды партнеров, то составление формулы сводится к элементарной задаче подбора и расстановки индексов, обеспечивающих электронейтральность сооружаемых молекул. Образно, говоря, при составлении формулы соли катион (металла) припарковывается возле аниона (кислотного остатка). Затем оба партнера «с тревогой» всматриваются в заряды друг друга и вычисляют необходимые индексы для создания электронейтральной частицы (молекулы). Бросив контрольный взгляд на заряды и индексы, следует окончательно убедиться в электронейтральности образованного продукта.

Примеры:

Соли, составленные из вышеуказанных кислотных остатков с одно валентным калием, будут выглядеть так:

KNO₃, K₂SO₄, K₃PO₄;

с двух валентным магнием так:

Mg(NO₃)₂, MgSO₄, Mg₃(PO₄)₂;

а с трех валентным алюминием так:

Al(NO₃)₃, Al₂(SO₄)₃, AlPO₄.

Итак, главная проблема – знание зарядов составных частей – катионов и анионов. Про заряды кислотных остатков (анионов) сказано на предыдущей странице. Заряды катионов металлов в большинстве случае равны 2+, кроме металлов первой группы периодической системы (К⁺, Na⁺), алюминия (Al³⁺), железа (Fe²⁺ и Fe³⁺) и некоторых других. Чтобы не особенно напрягать свою ленивую память можно просто по-чаще пользоваться таблицей растворимости солей (приложение 2), где указаны заряды достаточно большого количества катионов и анионов. Частое использование этой таблицы обеспечит самозапоминание постоянно встречающихся значений.

Названия солей ряда кислот представлены в табл. 1 приложения 2. Поупражняйтесь в использовании табл.1 и табл. 2 этого приложения, составляя формулы нормальных солей:

1. карбонат кальция;

2. сульфид железа (Ш);

3. сульфит марганца;

4. сульфат лития;

5. нитрит стронция;

6. нитрат железа (П);

7. хлорид цинка;

8. тиосульфат серебра.

Сверьте свои результаты с правильными ответами:

1. CaCO₃: 2. Fe₂S₃; 3. MnSO₃; 4. Li₂SO₄;

5. Sr(NO₂)₂; 6. Fe(NO₃)₂; 7. ZnCl₂; 8. Ag₂S₂O₃.