Какое взаимодействие определяет химические свойства веществ
Все химические элементы разделяют на металлы и неметаллы в зависимости от строения и свойств их атомов. Также на
металлы и неметаллы классифицируют образуемые элементами простые вещества, исходя из их физических и химических свойств.
В Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева неметаллы расположены по диагонали: бор – астат и над ней в главных подгруппах.
Для атомов металлов характерны сравнительно большие радиусы и небольшое число электронов на внешнем уровне от 1 до 3 (исключение: германий, олово свинец – 4;
сурьма и висмут – 5; полоний – 6 электронов).
Атомам неметаллов, наоборот, свойственны небольшие радиусы атомов и число электронов на внешнем уровне от 4 до 8 (исключение бор, у него таких электронов –
три).
Отсюда стремление атомов металлов к отдаче внешних электронов, т.е. восстановительные свойства, а для атомов неметаллов – стремление к приему недостающих до
устойчивого восьмиэлектронного уровня электронов, т.е. окислительные свойства.
В металлах – металлическая связь и металлическая кристаллическая решетка. В узлах решетки находятся положительно заряженные ионы металлов, связанные
посредством обобществленных внешних электронов, принадлежащих всему кристаллу.
Это обуславливает все важнейшие физические свойства металлов: металлический блеск, электро- и теплопроводность, пластичность (способность изменять форму под
внешним воздействием) и некоторые другие, характерные для этого класса простых веществ.
Металлы I группы главной подгруппы называют щелочными металлами.
Металлы II группы: кальций, стронций, барий – щелочноземельными.
В химических реакциях металлы проявляют только восстановительные свойства, т.е. их атомы отдают электроны, образуя в результате положительные
ионы.
1. Взаимодействуют с неметаллами:
а) кислородом (с образованием оксидов)
Щелочные и щелочноземельные металлы окисляются легко при обычных условиях, поэтому их хранят под слоем вазелинового масла или керосина.
4Li + O2 = 2Li2O
2Ca + O2 = 2CaO
Обратите внимание: при взаимодействии натрия – образуется пероксид, калия – надпероксид
2Na + O2 = Na2O2, К + О2 = КО2
а оксиды получают прокаливанием пероксида с соответствующими металлом:
2Na + Na2O2 = 2Na2O
Железо, цинк, медь и другие менее активные металлы медленно окисляются на воздухе и активно при нагревании.
3Fe + 2O2 = Fe3O4 (смесь двух оксидов: FeO и Fe2O3)
2Zn + O2 = 2ZnO
2Cu + O2 = 2CuO
Золото и платиновые металлы не окисляются кислородом воздуха ни при каких условиях.
б) водородом (с образованием гидридов)
2Na + H2 = 2NaH
Ca + H2 = CaH2
в) хлором (с образованием хлоридов)
2K + Cl2 = 2KCl
Mg + Cl2 = MgCl2
2Al + 3Cl2 =2AlCl3
Обратите внимание: при взаимодействии железа образуется хлорид железа (III):
2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3
г) серой (с образованием сульфидов)
2Na + S = Na2S
Hg + S = HgS
2Al + 3S = Al2S3
Обратите внимание: при взаимодействии железа образуется сульфид железа (II):
Fe + S = FeS
д) азотом (с образованием нитридов)
6K + N2 = 2K3N
3Mg + N2 = Mg3N2
2Al + N2 = 2AlN
2. Взаимодействуют со сложными веществами:
Необходимо помнить, что по восстановительной способности металлы расположены в ряд, который называют электрохимическим рядом напряжений или активности
металлов (вытеснительный ряд Бекетова Н.Н.):
Li, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Co, Ni, Sn, Pb, (H2), Cu, Hg, Ag, Au, Pt
а) водой
Металлы, расположенные в ряду до магния, при обычных условиях вытесняют водород из воды, образуя растворимые основания – щелочи.
2Na + 2H2O = 2NaOH + H2↑
Ba + H2O = Ba(OH) 2 + H2↑
Магний взаимодействует с водой при кипячении.
Mg + 2H2O = Mg(OH) 2 + H2↑
Алюминий при удалении оксидной пленки бурно реагирует с водой.
2Al + 6H2O = 2Al(OH) 3 + 3H2↑
Остальные металлы, стоящие в ряду до водорода, при определенных условиях тоже могут вступать в реакцию с водой с выделением водорода и образованием
оксидов.
3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2↑
б) растворами кислот
(Кроме концентрированной серной кислоты и азотной кислоты любой концентрации. См. раздел «Окислительно-восстановительные реакции».)
Обратите внимание: не используют для проведения реакций нерастворимую кремниевую кислоту
Металлы, стоящие в ряду до магния и активно реагирующие с водой, не используют для проведения таких реакций.
Металлы, стоящие в ряду от магния до водорода, вытесняют водород из кислот.
Mg + 2HCl = MgCl2 + H2↑
Обратите внимание: образуются соли двухвалентного железа.
Fe + H2SO4(разб.) = FeSO4 + H2↑
Образование нерастворимой соли препятствует протеканию реакции. Например, свинец практически не реагирует с раствором серной кислоты из-за образования на
поверхности нерастворимого сульфата свинца.
Металлы, стоящие в ряду после водорода, НЕ вытесняют водород.
в) растворами солей
Металлы, стоящие в ряду до магния и активно реагирующие с водой, не используют для проведения таких реакций.
Для остальных металлов выполняется правило:
Каждый металл вытесняет из растворов солей другие металлы, расположенные в ряду правее него, и сам может быть вытеснен металлами, расположенными левее
него.
Cu + HgCl2 = Hg + CuCl2
Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu
Как и в случае с растворами кислот, образование нерастворимой соли препятствует протеканию реакции.
г) растворами щелочей
Взаимодействуют металлы, гидроксиды которых амфотерны.
Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2 [Zn(OH) 4] + H2↑
2Al + 2KOH + 6H2O = 2K[Al(OH) 4] + 3H2↑
д) с органическими веществами
Щелочные металлы со спиртами и фенолом.
2C2H5OH + 2Na = 2C2H5ONa + H2↑
2C6H5OH + 2Na = 2C6H5ONa + H2↑
Металлы участвуют в реакциях с галогеналканами, которые используют для получения низших циклоалканов и для синтезов, в ходе которых происходит усложнение
углеродного скелета молекулы (реакция А.Вюрца):
CH2Cl-CH2-CH2Cl + Zn = C3H6(циклопропан) + ZnCl2
2CH2Cl + 2Na = C2H6(этан) + 2NaCl
В простых веществах атомы неметаллов связаны ковалентной неполярной связью. При этом образуются одинарные (в молекулах H2, F2,
Cl2, Br2, I2), двойные (в молекулах О2), тройные (в молекулах N2) ковалентные связи.
1. молекулярное
При обычных условиях большинство таких веществ представляют собой газы (Н2, N2, O2, O3, F2,
Cl2) или твердые вещества (I2, P4, S8) и лишь единственный бром (Br2) является жидкостью. Все эти вещества молекулярного строения, поэтому
летучи. В твердом состоянии они легкоплавки из-за слабого межмолекулярного взаимодействия, удерживающего их молекулы в кристалле, и способны к возгонке.
2. атомное
Эти вещества образованы кристаллами, в узлах которых находятся атомы: (Bn, Сn, Sin, Gen, Sen, Ten). Из-за большой прочности ковалентных связей они, как правило, имеют высокую твердость, и любые изменения, связанные с разрушением
ковалентной связи в их кристаллах (плавление, испарение), совершаются с большой затратой энергии. Многие такие вещества имеют высокие температуры плавления и кипения, а летучесть их весьма
мала.
Многие элементы – неметаллы образуют несколько простых веществ – аллотропных модификаций. Аллотропия может быть связана с разным составом молекул: кислород
О2 и озон О3 и с разным строением кристаллов: аллотропными модификациями углерода являются графит, алмаз, карбин, фуллерен. Элементы – неметаллы, имеющие аллотропные
модификации: углерод, кремний, фосфор, мышьяк, кислород, сера, селен, теллур.
У атомов неметаллов преобладают окислительные свойства, то есть способность присоединять электроны. Эту способность характеризует значение
электроотрицательности. В ряду неметаллов
At, B, Te, H, As, I, Si, P, Se, C, S, Br, Cl, N, O, F
электроотрицательность возрастает и усиливаются окислительные свойства.
Отсюда следует, что для простых веществ – неметаллов будут характерны как окислительные, так и восстановительные свойства, за исключением фтора – самого
сильного окислителя.
1. Окислительные свойства
а) в реакциях с металлами (металлы всегда восстановители)
2Na + S = Na2S (сульфид натрия)
3Mg + N2 = Mg3N2 (нитрид магния)
б) в реакциях с неметаллами, расположенными левее данного, то есть с меньшим значением электроотрицательности. Например, при взаимодействии фосфора и серы
окислителем будет сера, так как фосфор имеет меньшее значение электроотрицательности:
2P + 5S = P2S5 (сульфид фосфора V)
Большинство неметаллов будут окислителями в реакциях с водородом:
H2 + S = H2S
H2 + Cl2 = 2HCl
3H2 + N2 = 2NH3
в) в реакциях с некоторыми сложными веществами
Окислитель – кислород, реакции горения
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O
2SO2 + O2 = 2SO3
Окислитель – хлор
2FeCl2 + Cl2 = 2FeCl3
2KI + Cl2 = 2KCl + I2
CH4 + Cl2 = CH3Cl + HCl
Ch2=CH2 + Br2 = CH2Br-CH2Br
2. Восстановительные свойства
а) в реакциях с фтором
S + 3F2 = SF6
H2 + F2 = 2HF
Si + 2F2 = SiF4
б) в реакциях с кислородом (кроме фтора)
S + O2 = SO2
N2 + O2 = 2NO
4P + 5O2 = 2P2O5
C + O2 = CO2
в) в реакциях со сложными веществами – окислителями
H2 + CuO = Cu + H2O
6P + 5KClO3 = 5KCl + 3P2O5
C + 4HNO3 = CO2 + 4NO2 + 2H2O
H2C=O + H2 = CH3OH
3. Реакции диспропорционирования: один и тот же неметалл является и окислителем и восстановителем
Cl2 + H2O = HCl + HClO
3Cl2 + 6KOH = 5KCl + KClO3 + 3H2O
Источник
Химия – наука о веществах, их свойствах, превращениях и явлениях, сопровождающих эти превращения.
Вещества – это то, из чего состоят предметы (физические тела) окружающего мира. Вещества, существующие в природе, постоянно претерпевают различные изменения.
Явления – различные изменения, которые происходят с веществами.
Физические явления – явления, не сопровождающиеся превращениями одних веществ, в другие (обычно изменяется агрегатное состояние веществ или их форма).
Химические явления – явления, в результате которых из данных веществ образуются другие.
Иначе химические явления называют химическими реакциями.
Каждое вещество обладает строго определёнными свойствами.
Свойства веществ – признаки, позволяющие отличить одни вещества от других, или установить сходство между ними.
Физические свойства:
m – масса, V – объём, ρ – плотность.
Масса может быть выражена в граммах, объем в миллилитрах (если это жидкость) или литрах (если это газ).
1 мл = 1 см3, 1 л = 1 дм3, 1000 л = 1 м3
Поэтому плотность измеряют в г/мл, г/см3 (если это жидкость), или в г/л, г/дм3 (если это газ).
Если принять V = 1, то плотность – это масса единичного объёма вещества.
Химические свойства – это те химические реакции, в которые вступает данное вещество.
Так же можно сказать, что химические свойства – это те химические реакции, которые характеризуют группу веществ (класс веществ). Например, мы будем в дальнейшем изучать свойства воды, свойства класса оксидов, свойства класса алканов и т.д.
ООсновы атомно – молекулярного учения
Идея о том, что вещества состоят из мельчайших частиц возникла в Древней Греции в философских учениях Левкиппа и его ученика Демокрита. Эти частицы они назвали атомами (неделимые).
Существование атомов было доказано эмпирическим путём в конце 16 – начале 17 века Джоном Дальтоном и М. В. Ломоносовым. Ими же были заложены основы атомно – молекулярного учения.
В настоящее время, в связи с открытием делимости атома и появлением теории химической связи, основные положения атомно – молекулярного учения существенно изменились. Его суть можно свести к ряду важных положений, которые необходимо запомнить.
Все вещества, существующие в природе, представляют собой совокупность очень большого числа частиц (атомов, молекул или ионов). В зависимости от типа частиц все вещества условно подразделяют на две группы: вещества молекулярного строения и вещества немолекулярного строения (атомного или ионного).
Вещества молекулярного строения – вещества, основной структурной единицей которых является молекула.
Вещества немолекулярного строения – вещества, основными структурными единицами которых являются атомы или ионы.
Частицы, из которых состоит данное вещество, взаимодействуют между собой посредством электромагнитных (кулоновских) сил и находятся в постоянном движении. Движение частиц ограничено силами взаимодействия между ними.Каждое вещество, в зависимости от условий (температуры, давления) может находиться в определённом агрегатном состоянии.
В твёрдом агрегатном состоянии вещества, составляющие его частицы находятся относительно упорядоченно (кристаллическое состояние), их кинетическая энергия (энергия движения) существенно меньше чем потенциальная (энергия покоя). В газообразном состоянии, частицы свободно движутся в предоставленном им объёме и их кинетическая энергия существенно выше чем потенциальная.
В жидкости же потенциальная энергия частиц примерно равна их кинетической энергии. Это связано с тем, что часть частиц жидкости находится относительно упорядоченно в составе так называемых кластеров(англ. cluster— скопление). Другие же частицы свободно перемещаются по объёму жидкости. Чем ниже температура жидкости, тем больше в ней кластеров и наоборот.
Рис. Кластеры воды, где число молекул 20-220
Следует отметить, что существуют еще два дополнительные “состояния”. Это жидкокристаллическое состояние и состояние плазмы.
Цитоплазматическая мембрана клетки – типичный пример жидкого кристалла. Молекулы фосфолипидов в биологической мембране относительно упорядоченно распределяются в двух слоях, но при этом могут в пределах слоя свободно перемещаться, а также “перескакивать” из одного слоя в другой.
Жидкие кристаллы имеют широкое применение в технике (напр., ЖК-мониторы компьютеров).
Плазма (от греч. πλάσμα «вылепленное», «оформленное») — ионизованный газ.
Плазма в своём составе содержит свободные электроны, катионы (положительно заряженные ионы) и анионы (отрицательно заряженные ионы).
Так как плазма содержит заряженные частицы, то она проводит электрический ток и на неё можно воздействовать внешним магнитным полем. Различают низкотемпературную и высокотемпературную плазму.
Изучает свойства плазмы наука физика.
Вещество из одного агрегатного состояния может переходить в другие агрегатные состояния при изменении внешних условий – температуры (T) и давления (P). Такие переходы принято называть фазовыми переходами.
Так, при повышении температуры, твердое вещество превращается в жидкость, а жидкость при ещё большей температуре превращается в газ. Дальнейшее повышение температуры переводит газ в плазму. При таких переходах вещество в другие вещества не превращается. Напомним, что такие явления мы называем физическими. Поэтому фазовые переходы – это физические явления.
При понижении температуры происходят обратные фазовые переходы – газ превращается в жидкость, а жидкость переходит в твердое состояние.
Фазовые переходы имеют названия.
Твердое —> Жидкое (плавление, обратный переход – кристаллизация)
Жидкое —> Газообразное (испарение, обратный переход – конденсация)
Газообразное —> Плазма (ионизация, обратный переход – деионизация)
Твердое —> Газообразное (сублимация или возгонка, обратный переход – десублимация)
Вещество – совокупность большого числа частиц, находящаяся в определённом агрегатном состоянии в зависимости от условий (температуры и давления).
Поэтому, например, такая фраза как: “Вода – жидкое вещество”, является некорректной. Если мы говорим об агрегатном состоянии вещества, то следует обязательно уточнить условия в которых находится вещество – температуру и давление. Такая фраза как: “При нормальном атмосферном давлении и комнатной температуре, вода – жидкое по агрегатному состоянию вещество”, является правильной.
С точки зрения физики, что более точно, вещество – это форма материи, состоящая из частиц, обладающих массой покоя. Существуют частицы, не обладающие массой покоя, например, фотоны. Материя, состоящая из частиц, не обладающих массой покоя называется поле.
Протоны, нейтроны, электроны – это частицы, обладающие массой покоя, следовательно это частицы вещества. Но химия не изучает вещество, состоящее, к примеру, из электронов (электронный газ), или вещество, состоящее из нейтронов (нейтронный газ). Это удел физики.
Химия изучает вещества, состоящие из атомов, молекул или ионов.
Ввиду этого вещество условно можно подразделить на физическое (электронный газ в проводнике, нейтронный газ и т.д.) и химическое (состоящее из атомов, молекул, ионов, свободных радикалов).
Источник
Объектом химии считается вещество и влияние на него звуковых и магнитных полей. Само понятие имеет массу и бывает в трёх агрегатных состояниях — твёрдом, газообразном и жидком. Для каждого компонента характерны определённые химические свойства. При их вступлении в реакцию получается новое образование, например, нагретый сахар превращается в уголь и воду.
На уроках химии школьники изучают особенности превращения одних веществ в другие. К задачам предмета относится определение, с какими химическими компонентами при определённых условиях реагирует то либо иное вещество, что при этом образуется. Дополнительно изучаются условия, при которых протекают подобные превращения, и методы получения нужного состояния.
Под химсвойствами подразумевается совокупность информации о том, с какими иными компонентами и при каких условиях вступает во взаимодействие данное вещество. Атомы — частицы, которые участвуют в превращениях. При реакции они перегруппировываются. Старые связи между ними разрушаются, но возникают новые.
Для каждого вида атома характерен конкретный химический элемент (ХМ) — совокупность атомов с близкими либо одинаковыми характеристиками. В природе известно до 90 разных ХМ. Учёные в области физики способны создать новые виды атомов, которые отсутствуют на Земле. Такие компоненты называются искусственными. Их число превышает два десятка. У ХМ имеется латинское название и символ из 1−2 букв. От класса соединения зависит, какие химические свойства (ХС) характерны: кислоты, галогены, спирт.
Под ХС понимается способность взаимодействовать с иными компонентами, а также распадаться и диссоциироваться. Главное свойство — электроотрицательность. Чтобы описать реакционную способность, используются некоторые численные значения. Каждое из них зависит от определённых условий измерения.
ХС зависит от структуры молекул, степени их пространственности. Для веществ с одним составом и структурой характерны одинаковые виды химических свойств, кроме реакций с ХМ иной пространственной конфигурации.
Электролиты и галогены
Кислоты участвуют в реакциях с переходом электрона. Химические характеристики, свойственные для образования, зависят от его названия. Электролиты появляются в результате диссоциации водорода, который легко замещается металлами с последующим формированием соли.
Для кислот характерно сообразование гидратированных ионов, которые придают соответствующий вкус и способность изменять цвет. Другое химическое вещество — галоген. В переводе с греческого означает «рождение, происхождение». Компоненты относятся к основной подгруппе VII группы таблицы Менделеева. Им свойственно реагировать с любым простым элементом, кроме неметаллов.
Галогены считаются энергетическими окислителями, поэтому в природе встречаются в качестве соединений. При увеличении номера уменьшается активность галогенов:
- фтор;
- бром;
- хлор.
Взаимодействуя с металлами, формируется ионная связь, образуется соль. Все представители группы, кроме фтора, взаимодействуя с электроотрицательными компонентами, проявляют восстановительные свойства. Для них характерна высокая окислительная активность. Она уменьшается в процессе перехода от фтора к астату.
Сам фтор (F) считается самым активным галогеном. Он реагирует с любым металлом. Без нагрева он реагирует с неметаллами. Облучение способствует образованию инертного газа. Энергично протекает взаимодействие фтора со сложным веществом. Таким методом окисляется вода, а реакция приобретает взрывной характер.
Аналогичное явление наблюдается при освещении хлора (Cl) с водородом. Первый компонент быстро реагирует со сложными ХМ. При нагреве легко вытесняется йод либо бром из соединения хлора с металлом. При взаимодействии с водой наблюдаются следующие явления:
- растворение хлора;
- частичная реакция;
- образование равновесной смеси веществ.
Cl легко диспропорционируется со щелочами. Бром (Br) способен быстро растворяться в воде, частично реагируя с Н2О, образуя бромную воду.
Йод в воде не растворяется и не окисляется при нагревании. При этом он способен расщепляться в иодидных растворах, образуя комплексные анионы, включая раствор Люголя.
Йод отличается от других ХМ своей активностью. Он не вступает в реакцию со многими неметаллами, а с металлами при нагревании реагирует медленно. Для реакции водорода и йода характерна эндотермичность и сильнообратимость. Учёные доказали, что химическая активность галогенов уменьшается последовательно от F к астату (At). Каждый компонент из ряда вытесняет последующий из его соединений с металлом либо водородом. Любой галоген окисляет галогенид-ион любого из последующих галогенов. В процессе диссоциации формируются протоны, ионы.
Взаимодействие со спиртами
К химическим элементам относятся спирты. Они легко вступают в реакцию с иными компонентами и относятся к гидроксильной группе, для которой характерно наличие углеводородной цепи. Чем она больше, тем сильнее влияет на функциональную группу. При этом снижается полярность связи О-Н.
При разрыве связи реакция протекает медленно. На основе гидроксильной группы наблюдается отрицательный индуктивный эффект. В основе классификации спиртов на группы лежат их химические свойства. Специалисты выделяют воду либо оксид водорода, металлы, простые вещества. Первый компонент представлен в виде прозрачной жидкости без цвета, вкуса и запаха. Его свойства:
- возможность преобразовываться в разные состояния (лёд, пар);
- сильная полярность;
- в природе содержит в себе газы, соли.
Н2О считается самым распространённым растворителем на Земле. Химически вода активна. Её полярные молекулы способствуют образованию гидратов и кристаллогидратов. Н2О при комнатной температуре реагирует со следующими компонентами:
- Активные металлы (натрий, кальций, калий).
- Фтор.
- Соли из слабой кислоты.
- Бор.
При нагревании она вступает в реакцию с магнием и железом, метаном и углём. На основе катализаторов образуется ацетилен, алкен, амидам.
К простым ХМ относятся металлы. Для них характерны следующие свойства: высокие электро- и теплопроводность, пластичность, блеск, положительное сопротивление. Внешний электронный уровень представлен в виде незначительного числа электронов (максимум три). Вступая в реакцию, они выполняют функции восстановителей, отдавая свои электроны.
С кислородом взаимодействуют все элементы группы, кроме платины и золота. Реакция с серебром возможна, если достигнута высокая температура. Из-за термической неустойчивости оксид серебра не образуется. Перечень элементов, которые появляются на выходе (зависит от названия металла, который участвует в реакции):
- пероксиды;
- оксиды;
- надпероксиды.
Для получения пероксида используется металл. С малоактивным и средним компонентом реакции возникает при нагревании. Взаимодействие с азотом осуществляется на основе максимально активных металлов (АМ). При комнатной температуре взаимодействует только литий, который способствует появлению нитридов. При нагревании серы и железа получается сульфид.
С водородом и углеродом взаимодействуют наиболее АМ. С кислотами металл реагирует по-разному. ХМ, которые находятся в таблице до водорода, взаимодействуют с любой кислотой. Неокисляющие вещества с металлами участвуют в реакции замещения, для которой свойственно окисление и восстановление.
Окисляющая кислота, вступая в реакцию с металлом, расположенным после водорода, образует следующие продукты:
- водород;
- магний.
При взаимодействии железа и HNO3 различной концентрации получается Cu, NO. Больше вариантов реакций характерно для взаимодействия с АМ. Современные химики разработали технологию легирования, с помощью которой осуществляется ввод в расплав дополнительных ХМ. Они легко модифицируют физические, механические и химические свойства главного материала.
Загрузка…
Источник