Table Of ContentМинистерство образования и науки РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«Кемеровский государственный университет»
Кафедра неорганической химии
С. М. Сирик, Т. Ю. Кожухова
ХИМИЯ S- И Р-ЭЛЕМЕНТОВ
ЧАСТЬ I
Электронное учебное пособие
(Тексто-графические учебные материалы)
Кемерово
2015
© С. М. Сирик, Т. Ю. Кожухова, 2015
© Кемеровский государственный
университет, 2015
ISBN 978-5-8353-1786-8
ISBN 978-5-8353-1787-5 (Ч. I)
Об издании – 1, 2, 3
ББК Г115я73
УДК 546 (075.8)
С 40
Издается по решению редакционно-издательского совета
Кемеровского государственного университета
Рецензенты:
Черкасова Т. Г., академик РАЕН, д-р хим. наук, профессор кузбасского государственного
технического университета имени Т. Ф. Горбачева;
Бобкова Л. А., канд. хим. наук, доцент национального исследовательского Томского
государственного университета
Авторы:
Сирик Светлана Михайловна – доцент кафедры неорганической химии
Кожухова Татьяна Юрьевна – доцент кафедры неорганической химии
С 40 Сирик, С. М. Химия s- и p-элементов: электронное учебное пособие: тексто-
графические учебные материалы [Электронный ресурс]: / С. М. Сирик, Т. Ю.
Кожухова; КемГУ. – Электрон. дан. (2,3 Мб). – Кемерово: КемГУ, 2015. – 1
электрон. опт. диск (СD-ROM). – Систем. требования: Intel Pentium (или
аналогичный процессор других производителей), 500 МГц; 512 Мб оперативной
памяти; видеокарта SVGA, 1280x1024 High Color (32 bit); 3 Мб свободного
дискового пространства; операц. система Windows ХР/7/8; Adobe Reader. – Загл. с
экрана.
ISBN 978-5-8353-1786-8
ISBN 978-5-8353-1787-5 (Ч. I)
Учебное пособие разработано по дисциплине Неорганическая химия. Химия
элементов для направления подготовки Химия и по специальности Фундаментальная и
прикладная химия в соответствии с ФГОС ВПО.
Учебное пособие содержит материал, рассматриваемый на лекциях и необходимый
для организации самостоятельной работы; вопросы и задачи для подготовки к
практическим занятиям, основные термины и биографии великих химиков.
Адресовано студентам специальности Фундаментальная и прикладная химия и
направления подготовки Химия, а также может быть использовано магистрантами,
аспирантами и профессорско-преподавательским составом.
© С. М. Сирик, Т. Ю. Кожухова, 2015
© Кемеровский государственный
университет, 2015
Текстовое электронное издание
Минимальные системные требования:
Компьютер: Pentium 3 и выше, 500 МГц; ОЗУ 512 Мб; 3 Мб на жестком
диске; видеокарта SVGA, 1280x1024 High Color (32 bit); привод
CD-ROM
Операционная система: Windows ХР/7/8
Программное обеспечение: Adobe Reader
Номер государственной регистрации электронного издания __________.
© С. М. Сирик, Т. Ю. Кожухова, 2015
© Кемеровский государственный
университет, 2015
3
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................................... 5
ВОДОРОД .................................................................................................................................. 7
КИСЛОРОД ............................................................................................................................ 22
Р-ЭЛЕМЕНТЫ VII ГРУППЫ ........................................................................................ 40
Р-ЭЛЕМЕНТЫ VI ГРУППЫ ......................................................................................... 80
Р-ЭЛЕМЕНТЫ V ГРУППЫ ......................................................................................... 112
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ.................................................................................................. 179
БИОГРАФИИ ВЕЛИКИХ ХИМИКОВ .................................................................... 188
ЛИТЕРАТУРА .................................................................................................................... 203
4
ВВЕДЕНИЕ
Учебное пособие разработано по дисциплине Неорганическая
химия. Химия элементов для направления подготовки Химия и по
специальности Фундаментальная и прикладная химия в
соответствии с ФГОС ВПО и содержит материал, рассматриваемый
на лекциях и необходимый для организации самостоятельной
работы студентов при подготовке к лабораторным работам,
практическим занятиям, контрольным работам, экзамену, а также
для выполнения индивидуальных заданий.
В пособии рассматриваются свойства и особенности химии s-
элементов и р-элементов, а также приводятся вопросы, задания,
задачи для практических занятий.
Вопросы и упражнения, подобранные для практических за-
нятий, ориентированы не только на механическую проверку зна-
ний, но и на размышление и анализ, творческий подход, так как по
формулировкам приближены к практике неорганического синтеза и
требуют использования теоретических знаний из разных разделов
общей химии.
Материалы пособия обеспечат формирование в соответствии с
требованиями ФГОС ВПО направления подготовки Химия и ФГОС
ВПО специальности Фундаментальная и прикладная химия
следующих профессиональных компетенций:
использование основных законов естественнонаучных дисциплин в
профессиональной деятельности, применение методов матема-
тического анализа и моделирования, теоретического и экспе-
риментального исследования;
способен определять и анализировать проблемы, планировать
стратегию их решения;
понимание сущности и социальной значимости профессии,
основных перспектив и проблем, определяющих конкретную
область деятельности
понимает роль естественных наук (химии в том числе) в выработке
научного мировоззрения;
владение основами теории фундаментальных разделов химии
(прежде всего неорганической);
5
способность применять основные законы химии при обсуждении
полученных результатов, в том числе с привлечением
информационных баз данных;
владеет знанием основных этапов и закономерностей развития
химической науки, наличием представлений о системе фун-
даментальных химических понятий и методологических аспектов
химии, форм и методов научного познания, их роли в обще-
образовательной профессиональной подготовке химиков;
владение методами безопасного обращения с химическими
материалами с учетом их физических и химических свойств,
способность проводить оценку возможных рисков;
обладает способностью определять и анализировать проблемы,
планировать стратегию их решения.
После усвоения теоретического материала студент будет
знать:
1) состав, строение и химические свойства основных простых
веществ и химических соединений, связь строения вещества и
протекания химических процессов;
2) закономерности изменения физико-химических свойств про-
стых и сложных веществ в зависимости от положения состав-
ляющих их элементов в Периодической системе.
уметь:
1) устанавливать взаимосвязи между строением веществ и их
превращениями в неорганических системах для различных эле-
ментов Периодической системы, составлять уравнения реакций;
2) использовать принцип периодичности и Периодическую сис-
тему для предсказания свойства простых и сложных химических
соединений и закономерностей в их изменении;
3) планировать эксперимент по получению и распознаванию
важнейших неорганических соединений, с учетом приобретенных
знаний о правилах безопасной работы с веществами.
владеть:
теоретическими методами описания свойств простых и сложных
веществ на основе электронного строения их атомов и положения в
Периодической системе химических элементов.
6
ВОДОРОД
Положение водорода
в Периодической таблице Д. И. Менделеева
Водород (лат. hydrogenium − рождающий воду), химический
элемент с атомным номером 1, атомная масса 1,00794 г/моль.
Индивидуальность водорода как химического элемента была
доказана в 1766 году Г. Кавендишем.
Атом водорода 1Н состоит из одного протона и электрона.
Для водорода характерны следующие степени окисления: -1;
0; +1.
Примеры соединений водорода с разными степенями окисления
приведены в таблице 1.
Таблица 1
Степени окисления и примеры соединений водорода
Степень Примеры соединений Тип связи
окисления
-1 NaH, CaH и т.д. Ионная
2
0 Н Ковалентная неполярная
2
+1 Н О, Н О+, ОН-, NH , CH , Ковалентная полярная,
2 3 3 4
кислоты и т.д. водородная
1
Электронная конфигурация атома водорода: 1s подобна
электронной конфигурации атомов щелочных металлов. Как и
щелочные металлы, водород является восстановителем, проявляет
степень окисления +1. Спектры испускания и поглощения атома
водорода состоят из небольшого набора линий. Однако, водород
нельзя считать электронным аналогом щелочных металлов из-за
отсутствия у водорода промежуточного электронного слоя.
Значение первого потенциала ионизации атома водорода намного
больше значений первых потенциалов ионизации атомов щелочных
металлов. Так I (H) = 1312 кДж/моль, а I (Na) = 495,6 кДж/моль.
1 1
Соединения водорода даже с фтором и кислородом ковалентные и
не могут быть ионными, из-за исключительно высокого
7
+
поляризующего действия ионов Н . По этим же причинам ионы
+
водорода Н не могут существовать в свободном состоянии при
обычных химических явлениях.
Специфика строения атома водорода обусловливает особый,
присущий только соединениям водорода вид химической связи −
водородную связь. Только водород проявляет наибольшее разно-
образие химических связей.
Атому водорода, как и галогенам, для завершения внешнего
слоя не достает одного электрона, чем и обусловлено сущест-
- -
вование гидрид иона Н . Процесс образования Н из атома экзо-
термический (сродство к электрону 72,8 кДж/моль), поэтому для
водорода в степени окисления -1 возможны ионные соединения.
Водород нельзя считать полным аналогом галогенов, так как
водород имеет наполовину заполненный энергетический уровень и
значения первых потенциалов ионизации атома водорода и атомов
галогенов сильно различаются, так, например, для фтора I (F) =
1
1681 кДж/моль. Таким образом, водород занимает особое поло-
жение в периодической таблице Д. И. Менделеева.
Нахождение водорода в природе
Основная часть находящегося на земле водорода связана в воду.
Водород самый легкий из элементов, поэтому его атомы легче
других преодолевают гравитационное поле и покидают атмосферу
земли. Водород входит в состав звезд и межгалактического газа. На
солнце и других звездах водород находится в атомарном состоянии.
В межзвездной среде − в виде частично ионизованных двухатомных
молекул.
По числу атомов в земной коре водород занимает третье место,
уступая кислороду и кремнию. Массовая доля водорода в земной
-5
коре составляет 0,15 %, в атмосфере − 5,3·10 об. %.
Водород − составная часть подавляющего большинства
органических соединений, входит в состав природного газа, нефти,
в состав ДНК. Содержание водорода в организме среднего
человека 7 кг, в том числе: в мышечной ткани − 9,3 %; в костной
ткани − 5,2 %.
8
Изотопы водорода
Водород образует несколько изотопов. Водород с массовым
числом 1 называют легким водородом, или протием, обозначают
символом Н. Водород с массовым числом 2 − тяжелым водородом,
дейтерием (D). Изотоп с массовым числом 3 − сверхтяжелым
водородом, или тритием (Т). Основные характеристики изотопов
водорода приведены в таблице 2.
Таблица 2
Основные характеристики изотопов водорода
Нуклид Атомная масса, Распространение в Период
г/моль природе, % полураспада Т
1/2
Протий (Н) 1,007825 99,985 стабилен
Дейтерий (D)
2,0140 0,015 стабилен
(р+n)e
Тритий (Т)
3,01605 0 12,26
(p+2n)e
В природе преобладает самый легкий изотоп водорода протий.
Только 0,015 % природного водорода приходится на долю дейтерия,
в ядро которого помимо протона входит один нейтрон. Протий и
дейтерий нерадиоактивны. Масса дейтерия в два раза больше массы
протия, поэтому свойства образуемых ими соединений различны,
например, температуры кипения и плавления (таблица 3.)
Тритий бета-радиоактивен:
Эта реакция − главный источник изотопа , найденного в
атмосфере. Содержание трития в атмосферном водороде составляет
-15 -18
4·10 % (мол. доли) и в атмосферных осадках около 3·10 % (мол.
доли). Тритий образуется в результате ядерных реакций, вызванных
действием космических лучей. Тритий получают в ядерных
реакторах при облучении лития нейтронами:
.
В реакциях термоядерного синтеза, протекающих при взрыве
водородной бомбы, тритий взаимодействует с дейтерием:
Тяжѐловодородная вода (далее по тексту тяжелая вода) имеет ту же
9
химическую формулу, что и обычная вода, но вместо атомов
обычного лѐгкого изотопа водорода протия содержит два атома
дейтерия.
Таблица 3
Физические свойства водорода
Свойство H D T
2 2 2
T ,о С -259,2 -254,4 -252,5
пл
T ,о С -252,8 -249,5 -248,1
кип
Е , кДж/моль (25о С) 435,9 443,4 446,9
дис
Внешне тяжѐлая вода выглядит как обычная − бесцветная
жидкость без вкуса и запаха. Физико-химические свойства D O:
2
температура кипения тяжелой воды +101,4° С, температура
замерзания +3,81° С, ее плотность на 10 процентов больше, чем у
3
обычной воды и равна 1,106 г/см .
Молекулы тяжѐлой воды были впервые обнаружены в
природной воде Гарольдом Юри в 1932 году, за что ученый в 1934
году был удостоен Нобелевской премии по химии. В 1933 году
Гилберт Льюис выделил чистую тяжѐлую воду.
Ядра дейтерия имеют ядер-
ный момент, равный единице, а
не ½, как у легкого изотопа, D O
2
не поглощает протоны. Поэтому
тяжелую воду используют в
ядерной технике в качестве
замедлителя быстрых электро-
нов, а также в качестве изотоп-
ного индикатора в химии и био-
логии. D O токсична в слабой
2
степени, химические реакции в
еѐ среде происходят медленнее,
чем в обычной воде. Водородные
связи с участием дейтерия нес-
колько сильнее обычных.
Гарольд Юри
1 0
