умк_Галушков_Неорган химия_для ХТ

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования «Полоцкий государственный университет»

П.А. Галушков

НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Учебно-методический комплекс для студентов специальности 1-48 01 03

«Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов»

Новополоцк

ПГУ

2009

УДК 546(075.8) ББК 24.1я73

Г15

Рекомендовано к изданию методической комиссией технологического факультета

в качестве учебно-методического комплекса (протокол № 9 от 8 июля 2008 г.)

РЕЦЕНЗЕНТЫ:

канд. хим. наук, доц. кафедры химии УО «ВГУ» С. И. КУЛИЕВ; канд. хим. наук, доц., зав. кафедрой химии УО «ПГУ» Е. В. МОЛОТОК

Галушков, П. А.

Неорганическая химия : учеб.-метод. комплекс для студентов спец. Г15 1-48 01 03 «Химическая технология природных энергоносителей и уг- леродных материалов» / П. А. Галушков. – Новополоцк : ПГУ, 2009. –

364 с.

ISBN 978-985-418-882-9.

Представлен материал, предусмотренный типовой программой по дисци- плине «Неорганическая химия». Включает конспект лекций, методические материалы для подготовки к практическим занятиям, лабораторный практи- кум, контрольные вопросы, образцы тестов, список литературы.

Предназначен для студентов химико-технологических специальностей вузов. Может быть полезен научным работникам, аспирантам, специалистам предприятий.

УДК 546(075.8) ББК 24.1я73

ISBN 978-985-418-882-9

© Галушков П. А., 2009 © УО «Полоцкий государственный университет», 2009

2

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебно-методический комплекс разработан в соответствии с типовой учебной программой по неорганической химии для химико-техноло- гических специальностей, утвержденной Министерством образования Рес- публики Беларусь 30.07.2002 (регистрационный номер ТД-233/тип) и ра- бочей программой по неорганической химии для специальности 1-48 01 03 «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных мате- риалов», определяющими цели, задачи и содержание преподавания неор- ганической химии.

Цель преподавания неорганической химии состоит в том, чтобы в максимально возможной степени содействовать формированию инжене- ров-химиков-технологов широкого профиля, способных оперативно ре- шать сложные практические проблемы современной химической и нефте- химической технологии.

Задача курса – освоение студентами основ неорганического синтеза на базе химической энергетики, кинетики и периодического закона в про- цессе систематического обзора свойств элементов и их соединений в по- следовательности: sp-элементы (главные подгруппы), sd-элементы (побоч- ные подгруппы), sdf-элементы (лантаноиды и актиноиды).

После изучения курса неорганической химии студенты должны:

– знать:

связь между положением химического элемента в периодической системе Д.И. Менделеева и его свойствами, общие закономерности изме- нения свойств химических элементов и их соединений в группах и перио- дах; нахождение в природе; способы получения; свойства элементов и их наиболее важных соединений; характер изменения свойств бинарных со- единений по типу химической связи; общие принципы неорганического синтеза; вопросы охраны окружающей среды; о безотходных технологиях

икомплексном использовании природного сырья;

–уметь:

на основании положения данного химического элемента в периоди- ческой системе Д.И. Менделеева предсказывать основные химические и физические свойства элемента и возможность существования соединений

иих свойств; выявлять общие закономерности и различия; объяснять их на основании знаний о строении атома и химической связи; использовать термодинамические характеристики для решения вопроса об устойчивости

ивозможности получения соединения; определять его свойства, очищать вещества от примесей; работать с токсичными веществами и соблюдать

3

меры предосторожности при контакте с ними; предлагать мероприятия по защите окружающей среды для конкретных технологических процессов; разрабатывать схемы безотходной технологии получения неорганических веществ.

Столь обширные требования к знаниям и умениям студентов в об- ласти неорганической химии предполагают соответствующее информаци- онное обеспечение

Весь лекционный курс разделен на темы, включающие материал по подгруппам химических элементов. Исключение составляют водород и d- элементы (VIII) группы, которые разделены на семейства железа и плати- ны. Каждая лекция завершается перечнем вопросов для самоконтроля, ко- торые позволяют студентам самостоятельно проверить свои знания. Фор- мированию навыков и умений самостоятельно решать различные химиче- ские задания помогут методические материалы для подготовки к практи- ческим занятиям, в которых разобраны решения наиболее типичных зада- ний и показана логика построения правильного ответа. Эти методические материалы иллюстрируют важную роль межпредметных связей, особенно между дисциплинами «Теоретические основы химии» и «Неорганическая химия».

Лабораторный практикум состоит из 10 лабораторных работ, кото- рые включают опыты, позволяющие убедиться в проявлении тех или иных свойств веществ, их превращений, влияния различных факторов на хими- ческие реакции. Кроме того, в практикуме предусмотрены синтезы шести химических соединений.

Для более глубокого и детального изучения неорганической химии приведен список основной и дополнительной литературы.

Составитель выражает благодарность ассистенту кафедры химии Л.И. Линник за помощь в оформлении УМК и выборе условий проведения опытов.

4

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

5

ВВЕДЕНИЕ

Неорганическая химия – одна из дисциплин химического профиля, закладывающая фундамент общей химической подготовки выпускника химико-технологической специальности. Современная неорганическая хи- мия существенно изменила свою структуру и содержание. В последнее время происходит процесс ее дифференциации с выделением в самостоя- тельные научные направления химии отдельных элементов и одновремен- но наблюдается усиление взаимосвязи неорганической и органической хи- мии, в частности, в комплексных соединениях; интенсивно развивается бионеорганическая химия, возрастает роль неорганических макромолеку- лярных веществ (неорганических полимеров). Современные методы синте- за позволили существенно расширить ассортимент неорганических соеди- нений, представляющий интерес как с теоретической, так и с практической точки зрения.

Большое значение для химической и нефтехимической промышлен- ности имеют неорганические катализаторы, защитные покрытия, новые материалы и реагенты.

Неорганическая химия охватывает широкую область химических объектов. Помимо более сотни химических элементов, различающихся своими свойствами, ей приходится иметь дело еще и с бесчисленным ко- личеством соединений, образующихся в результате взаимной комбинации элементов.

Поэтому наиболее рациональным способом изучения неорганиче- ской химии является поиск общих закономерностей на основе периодиче- ской системы Д.И. Менделеева, теорий электронного строения атома, хи- мической связи, газообразного, жидкого и твердого состояния веществ и их смесей, учения о химических процессах. Такой подход позволяет не только объяснить строение и свойства неорганических соединений, но и прогнозировать возможность получения новых соединений с заданными свойствами.

Периодический закон и построенная на его основе периодическая система химических элементов позволяют целенаправленно и осознанно изучать и систематизировать огромное количество фактического материа- ла современной неорганической химии.

Квантово-механические представления об электронном строении атомов дают возможность не только раскрыть физический смысл периоди- ческого закона и проанализировать структуру периодической системы, но и объяснить причины немонотонного характера изменения свойств эле- ментов в периодах, группах, подгруппах.

При изучении дисциплины «Теоретические основы химии» рассмот- рены этапы развития периодического закона и периодической системы,

6

раскрыт их физический смысл, даны представления о групповой и типовой аналогии, электронной аналогии, кайносимметрии, вторичной и внутрен- ней периодичности, вертикальной, горизонтальной и диагональной перио- дичности. Поэтому нет необходимости подробно рассматривать этот мате- риал.

Так как периодический закон является фундаментальным законом природы, отражающим единство количественной (заряд ядра, число элек- тронов, атомная масса) и качественной (распределение электронов, сово- купность свойств) характеристик элементов, то их совокупность должна однозначно определять положение элемента в ПСМ и, наоборот, исходя из положения элемента в ПСМ можно получить значительную информацию о нем. Эта информация будет более полной, если выявить общие закономер- ности в изменении свойств в периодах, группах, подгруппах.

В периодах слева направо увеличивается заряд ядра и возрастает чис- ло электронов, что приводит к усилению электростатического взаимодей- ствия между ними, а, следовательно, к уменьшению атомного радиуса и увеличению энергии ионизации.

Учет электронного строения атомов позволяет выявить в пределах периода более тонкий характер изменения свойств, а именно: внутреннюю и горизонтальную периодичность, более плавное изменение атомного ра- диуса и энергии ионизации в рядах d- и f-элементов.

Проявление этих закономерностей можно наблюдать, например, на зависимости энергии ионизации (рис. 1), максимальной степени окисления (рис. 2) и энергии металлической связи (рис. 3) от порядкового номера элемента.

Рис. 1. Зависимость ионизационных потенциалов атомов от порядкового номера

7

Внутренняя периодичность наиболее четко проявляется во 2-м и 3-м периодах (см. рис. 1). У элементов B, Al, O, S энергии ионизации несколько ниже, чем у предшествующих им элементов. Для B и Al эта аномалия объ- ясняется эффектом экранирования заряда ядра ns2-электронами, что при- водит к ослаблению влияния ядра на np1-электрон, а для O и S – эффектом отталкивания при образовании первой электронной пары на np-орбиталях. Плавное изменение радиуса в рядах d- и f-элементов связано

сзаполнением электронами (n – 1)d- и (n – 2)f- орбиталей внутренних обо- лочек. По мере заполнения внутренних d- и f-орбиталей радиус атома уменьшается из-за усиления электростатического взаимодействия между ядром и электронами. Это явление получило название d-сжатия (для d-элементов) и f-сжатия (для f-элементов). На характер изменения энергии ионизации в рядах d- и f-элементов влияют две противоположно направ- ленные тенденции.

Содной стороны, заполняющиеся внутренние d- и f-орбитали по ме- ре увеличения в них числа электронов способствуют экранированию внешних ns-электронов, в силу чего их связь с ядром должна ослабляться. С другой стороны, рост числа электронов во внутренних оболочках приво- дит к уменьшению атомного радиуса, а, значит, связь внешних электронов

сядром должна усиливаться. В результате наблюдается достаточно плав- ное изменение энергии ионизации в рядах d-элементов в пределах периода.

Для выявления внутренней периодичности в ряду d-элементов необ-

ходимо рассматривать характер изменения энергии отрыва 3-го электрона (ЕИ3), который находится на (n – 1)d- орбитали. Действительно, для 3d- и 4d-элементов отчетливо просматриваются две пятерки элементов с моно- тонным изменением ЕИ3, причем при переходе от 5-го к 6-му элементу ( Mn → Fe, Tc → Ru ) третья энергия ионизации скачкообразно уменьшает-

ся (33,7 – 30,6; 29,5 – 28,5 эВ). В рядах f-элементов также четко просмат- ривается внутренняя периодичность, а весь ряд из 14 элементов разделяет- ся на две семерки, для которых характерно монотонное изменение третьих энергий ионизации.

Внутреннюю периодичность можно рассматривать как следствие за- полнения энергетически вырожденных p-, d- и f-орбиталей электронами в соответствии c правилом Хунда, причем повышенной стабильностью об- ладают вакантные (p0, d0, f0), полностью завершенные (p6, d10, f14), а также наполовину завершенные (p3, d5, f7) орбитали.

В пределах каждого периода с изменением порядкового номера эле- мента проявляется также горизонтальная периодичность, которая заключа- ется в появлении максимальных и минимальных значений физико- химических свойств простых веществ и их соединений. Этот вид перио-

8

дичности наблюдается, например, в характере изменения максимальной степени окисления, энергии металлической связи.

Кривая изменения максимальной положительной степени окисления имеет периодический характер в зависимости от порядкового номера эле- мента. В пределах каждого большого периода эта зависимость представля- ется сложной и своеобразной (см. рис. 2).

Рис. 2. Зависимость максимальной положительной степени окисления от порядкового номера элемента

Зависимость энергии металлической связи от положения элемента в периодической системе Д.И. Менделеева носит экстремальный характер

(см. рис. 3).

Рис. 3. Зависимость энергии металлической связи от положения элементов в периодической системе

9

Приняв благородные газы за нулевую отметку, получаем два боль- ших максимума с минимумом между ними, соответствующим подгруппе IIB. Большой пик соответствует области подгрупп VB – VIB и меньший – подгруппам IVA – VA.

Эту зависимость Дж. С. Гриффитс объясняет следующим образом. Для образования связи от каждого атома требуется один электрон, причем в том случае, когда (n – 1)d- и ns-орбитали в сумме дадут 6 неспаренных электронов, число ковалентных связей достигает максимума. Именно так можно объяснить появление пика в области подгруппы VIВ, поскольку при увеличении числа электронов сверх шести количество неспаренных электронов на d-орбиталях будет уменьшаться за счет спаривания, значит,

иэнергия связи также начнет уменьшаться.

Уэлементов подгруппы IIВ, имеющих конфигурацию (n – 1)d 10ns2, прочность связи будет в значительной степени ослаблена из-за отсутствия не- спаренных электронов. Увеличение числа неспаренных электронов на np- орбитали до трех у элементов группы VA приводит к появлению второго мак- симума на зависимости энергии металлической связи от положения элемента в ПСМ. В периодах также наблюдается немонотонный характер изменения энергетического различия внешних ns- и np-орбиталей (табл. 1), что сущест- венно отражается на свойствах химических элементов и их соединений.

Таблица 1 Энергетическое различие (эВ) внешних s- и p-орбиталей атомов элементов

главных подгрупп

Период можно разделить на три части (см. табл. 1). В первую входят элементы IA и IIA групп (электронные конфигурации ns1 и ns2), во вторую

– элементы IIIA – VA групп (электронные конфигурации np1, np2, np3) и в третью – элементы VIA – VIIIA групп (электронные конфигурации np4, np5, np6). С увеличением номера периода энергетическое различие внеш- них s- и p-орбиталей в периоде изменяется более плавно.

10