Вещества и их свойства

ВВЕДЕНИЕ

В современном мире существует множество различных химических веществ и соединений. Каждое вещество обладает уникальными свойствами. Но благодаря многообразию различных методов исследования и инноваций в области развития технологий, стало возможным углублённое изучение веществ и поиск признаков, позволяющих объединять различные вещества с идентичными химическими свойствами.Известно, что в наибольшей степени химические свойства вещества обусловлены его составом. Соответственно, перед рассмотрением свойств целесообразно понять, что существуют различные классы химических соединений, которые классифицируются по ряду признаков. В настоящее время существует множество различных классификаций химических веществ, но в данной работе наиболее целесообразно использовать разделение веществ по числу атомов химических элементов на простые и сложные. Простые вещества состоят из атомов только одного химического элемента. В сложных веществах количество атомов химических элементов больше или равно двум. К простым веществам можно отнести металлы и неметаллы. Сложными веществами являются соли, кислоты и основания.Целью работы является обобщение знаний по теме «Химические вещества и их свойства». Для достижения цели необходимо решить ряд задач:Рассмотреть свойства простых и сложных химических веществ.Определить генетическую связь между классами органических и неорганических веществ.Работа состоит из введения, 3 глав, разделённых на параграфы, заключения, глоссария и списка литературы.1 Химические свойства простых веществХимические свойства металловМеталлами принято считать вещества, образованные элементами различных групп. От группы зависит строение металлов, и их принято подразделять на s-, p-, d- и f- металлы. [1]При рассмотрении химических свойств отличительной особенностью металлов является простота отдачи валентных электронов, по сравнению с другими классами соединений. То есть, металлы легче других соединений образовывают катионы, или, проще говоря, являются восстановителями. Стоит отметить, что восстановительная способность металлов отличается в зависимости от положения в электрохимическом ряду, представленном на рисунке 1.Рисунок 1 – Электрохимический ряд активности металловКак можно заметить из рисунка 1, по активности металлы можно условно разделить на 2 типа: активные и неактивные. Металлы, находящиеся в ряду от Лития до Алюминия, обладают высшей активностью, по сравнению с остальными металлами. Активность измеряется с помощью потенциала: чем сильнее активность металлов, тем меньше его стандартный потенциал.Химические свойства металлов могут проявляться во взаимодействии с различными веществами: с кислородом, водой, кислотами, основаниями и солями. Но стоит обратить внимание, что для каждого взаимодействия имеются особенности и требования.К примеру, взаимодействовать с кислородом при нормальных условиях могут только активные металлы, которые принято называть щелочными. Металлы средней активности способны лишь начать химическую реакцию с кислородом, которая заканчивается покрытием оксидной плёнки. Такая плёнка предотвращает дальнейшее воздействие кислорода, но повышение температуры приводит к сгоранию металлов средней активности. Неактивные металлы также принято называть благородными, что обусловлено их высокой стойкостью. Благородные металлы не вступают во взаимодействие с кислородом, водой и соляной кислотой, что отличает их от остальных металлов. Пример взаимодействия металлов с кислородом:4Li + O2 = 2Li2O.Особенности взаимодействия с водой аналогичны кислородному. При стандартных условиях с лёгкостью реагировать с водой способны только щёлочные или щёлочноземельные металлы. Возможно реагирование воды и менее активных металлов, но, как правило, для этого необходимо знать конкретные значения температур. Например, взаимодействия марганца или магния с водой происходит достаточно легко, в то время как титан реагирует только с кипящей водой. Цинк реагирует только с перегретым паром, а хром и железо с водяными парами.Помимо вышеперечисленных взаимодействий, металлы способны реагировать с простыми и сложными веществами. К примеру:4Al + 3C = Al4C3 (при нагревании);2Al +6HCl = 2AlCl3 + 3H2↑.Таким образом, среди химических свойств металлов стоит отметить сильную восстановительную способность. Однако, данная способность может отличаться в зависимости от значения стандартного потенциала металла.Химические свойства неметалловК неметаллам относят 22 элемента: H, B, C, Si, N, P, As, O, S, Se, Te, галогены (F, Cl, Br, I, At), благородные газы (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn). Неметаллы различаются по своему агрегатному состоянию, но в основном бывают твёрдыми и газообразными. Единственным представителем неметаллов, находящимся в жидком состоянии, является бром.Для некоторых неметаллов характерна аллотропия – возможность одного элемента существовать и трансформироваться в разные вещества. К примеру: O2 – кислород, O3 – озон.Неметаллические свойства усиливаются противоположно металлическим. То есть, возрастание свойств происходит в одном направлении с увеличением стандартного потенциала элементов. Наиболее активным неметаллом принято считать фтор, поскольку он обладает самым высоким значением потенциала. Химические свойства неметаллов могут различаться в зависимости от типа реакции, и могут быть как окислительными, так и восстановительными. Исключение составляет фтор: он способен проявлять только окислительные свойства. Помимо фтора, к числу сильных окислителей можно отнести хлор и кислород. Водород, бор, углерод, кремний, фосфор, мышьяк и теллур проявляют в основном восстановительные свойства. Азот, сера и йод имеют промежуточные свойства. [2]Стоит отметить, что взаимодействия с водой и кислотами не характерны для неметаллов. Наиболее часто встречаются реакции неметаллов с простыми веществами.При взаимодействии с металлами, неметаллы принимают электроны, образуя отрицательно заряженные частицы. То есть, проявляют окислительные свойства. Примеры взаимодействий неметаллов с металлами представлены ниже:2Na + Cl2 = 2NaCl;Fe + S = FeS;2Ca + O2 = 2CaO.Все неметаллы, кроме благородных газов, реагируют с водородом с образованием летучих соединений, проявляя окислительные свойства. Например:3H2 + N2 = 2NH3;H2 + Br2 = 2HBr.При взаимодействии неметаллов с кислородом, проявляются их восстановительные свойства, и образуются оксиды. Примеры взаимодействий неметаллов с кислородом:S + O2 = SO2;4P + 5O2 = 2P2O5.Как было сказано ранее, исключение составляет фтор, который всегда проявляется окислительные свойства:2F2 + O2 = 2OF2.Помимо вышеперечисленных реакций, возможно взаимодействие неметаллов друг с другом. При таком взаимодействии наиболее сильный неметалл является окислителем:S + 3F2 = SF6;C + 2Cl2 = CCl4.Таким образом, неметаллы нельзя назвать типичными окислителями, за исключением фтора. Остальные неметаллы могут проявляться как окислительные, так и восстановительные свойства, в зависимости от типа реакции.Подводя итоги главы можно сделать вывод о том, что химические свойства металлов и неметаллов имеют ряд отличий. Во-первых, значение потенциала влияет на данные классы в обратной пропорции. Во-вторых, можно заметить, что металлы активно взаимодействуют и с простыми, и сложными веществами, в то время как неметаллы больше склонны реагировать с простыми.Химические свойства сложных веществХимические свойства солейСоли – сложные химические соединения, которые состоят из катионов металла и анионов кислотных остатков. Химические свойства солей определяются положительными и отрицательными частицами, входящими в состав, и могут быть достаточно разнообразными. Ведь соли могут содержать как по одному катиону и аниону, так и по несколько. [3]В связи с широким разнообразием, соли могут по-разному растворяться, или вообще не растворяться в воде. Но несмотря на это, для данного класса химических соединений существует ряд общих свойств.Большинство солей под воздействием температуры способны к разложению. Обычно, в ходе такого взаимодействия происходит образование кислотного и основного оксидов. Продуктами реакции бескислородных солей являются металл и неметалл.В результате воздействия сильного нагревания происходит разложение большинства солей. При этом как правило образуются кислотный и основный оксиды, а бескислородные соли (состоящие из двух элементов) разлагаются на металл и неметалл. При разложении солей азотной кислоты, или перманганата калия, происходит выделение свободного кислорода. Примеры реакций разложения солей представлены ниже:CaCO3→CaO+CO2↑;2KMnO4→K2MnO4+MnO2+O2↑;2Zn(NO3)2→2ZnO+4NO2+O2↑;2KMnO4→K2MnO4+MnO2+O2↑.Как видно, различные соли способны разлагаться, но в зависимости от исходного состава, продукты реакции могут отличаться. Однако, всё же имеются общие закономерности.Ещё одним известным свойством солей является взаимодействие с кислотами. Однако, чтобы произошло взаимодействие, необходимо чтобы кислота была сильнее соли. Например, серная кислоты является сильной, и способна реагировать с солями:2NaCl+H2SO4→Na2SO4+2HCl↑.Также соли способны реагировать с основаниями или друг с другом. При этом в обеих случаях образуется новая соль:Ba(OH)2+MgSO4→BaSO4↓+Mg(OH)2; NaCl+AgNO3→AgCl+NaNO3.Помимо вышеперечисленных, соли способны взаимодействовать с простыми соединениями – металлами. Однако, здесь необходимо важное условие: металл в составе соли должен быть менее активным чем металл, вступающий в реакцию. В таком взаимодействии происходит замещение металла и образуется новая соль:2Al+Cr2(SO4)3→Al2(SO4)3+2Cr↓.Таким образом, можно отметить, что химические свойства солей достаточно разнообразны, что обусловлено особенностью строения данного класса. Но несмотря на это, существуют некоторые особенности, характерные для данного класса:разложение при нагревании;взаимодействие с кислотами;взаимодействие с солями;взаимодействие с металлами.При этом важно сказать, что для каждого химического свойства характерны свои особенности и условия начала взаимодействия.Химические свойства кислотКислоты – это сложные вещества, которые состоят из ионов водорода и кислотного остатка. [4]По аналогии с солями, кислоты способны взаимодействовать с металлами, но только с расположенными в электрохимическом ряду слева от водорода. Продуктами таких взаимодействий обычно являются соли и вода:Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2.Характерной особенностью кислот являются реакции нейтрализации: взаимодействие между кислотой и основанием, в результате которого образуются соли и вода:H2SO4 + CuO = CuSO4 + H2;2NaOH + H2SO4 = Na2SO4 + 2H2O;Cu(OH)2 + H2SO4 = CuSO4 + 2H2O.Некоторые кислоты под действием температуры разлагаются:H2SiO3 = H2O + SiO2;H2CO3 = H2O + CO2;4HNO3 = 4NO2↑ + O2↑ + 2H2O.Кислоты способные взаимодействовать с основными или амфотерные оксидами и гидроксидами:2HCl + CaO = CaCl2 + H2O;2HNO3 + ZnO = Zn(NO3)2 + 2H2O;H2SO4 + 2NaOH = Na2SO4 + 2H2O;3HCl + Al(OH)3 = AlCl3 + 3H2O.Кислоты способны приобретать различную окраску в растворах, поэтому их легко можно обнаружить с помощью индикаторов, как указано в таблице 1.Таблица 1 – Окраска индикаторов в кислой и нейтральной средеНазвание индикатораОкраска индикатора в нейтральной средеОкраска индикатора в кислой средеЛакмусФиолетоваяКраснаяМетилоранжОранжеваяКрасно-розоваяФенолфталеинБесцветнаяБесцветнаяКак видно из таблицы 1, присутствие кислоты в растворе можно распознать с помощью лакмуса, метилоранжа и фенолфталеина. В зависимости от среды (нейтральная или кислая), они приобретут соответствующую окраску.Таким образом, можно отметить, что химические свойства кислот обусловлены наличием водорода в составе. Основными химическими свойствами кислот являются:взаимодействие с металлами;реакции нейтрализации;разложение при температуре;взаимодействие с основными и амфотерными оксидами;взаимодействие с основными и амфотерными гидроксидами.Кислоты способны обнаруживаться в растворах с помощью индикаторов: лакмус, метилоранж и фенолфталеин.Химические свойства основанийОснования (гидроксиды) – сложные вещества, молекулы которых в своём составе имеют одну или несколько гидрокси-групп OH. [5]Основания могут быть растворимыми и нерастворимыми, химические свойства которых значительно отличаются друг от друга. Однако, в химических свойствах обеих групп есть схожие особенности. Оба типа оснований взаимодействуют с кислотами. При этом кислоты способны растворить даже нерастворимые основания. Как было сказано ранее, взаимодействие кислот с основаниями принято называть реакцией нейтрализации. Примеры таких взаимодействий представлены ниже:NaOH + HCl = NaCl + H2O;Fe(OH)2 + 2HCl = FeCl2 + 2H2O.И растворимые, и нерастворимые основания под воздействием температуры разлагаются, образуя оксид и воду:2LiOH = Li2O + H2O;Ca(OH)2 = CaO + H2O;2CuOH = CuO + H2O.Сравнивая растворимые и нерастворимые основания стоит выделить, что свойства первых выражены сильнее. Такие основания принято называть щелочами, поскольку состоят преимущественно из щелочных металлов.Щелочи способны по-разному взаимодействовать с амфотерными оксидами и гидроксидами. Например, реакция между гидроксидом алюминия и едким натром может проходить как в растворе, так и при сплавлении. В первом результатом взаимодействия является образование комплексной соли, а во втором – образование метаалюминатов, с выделением воды:NaOH + Al(OH)3 = Na[Al(OH)4];NaOH + Al(OH)3 = NaAlO2 + 2H2O.Как было сказано ранее, основания способны реагировать с солями, образуя при этом новую соль. Но реакция поддерживается только растворимыми основаниями.Концентрированные основания способны реагировать с неметаллами, такими как галогены, сера, фосфор и кремний. Например:2NaOH + Cl2 = NaClO + NaCl + H2O.Щёлочи можно обнаружить так же, как и кислоты, с помощью индикаторов. Но стоит учесть, что цветовая гамма для щелочей отличается от кислот. При обнаружении щелочей с помощью фенолфталеина проявляется малиновый окрас, с помощью лакмуса – синий. Разумеется, нерастворимые основания не подлежат определению с помощью индикаторов.Таким образом, можно отметить, что щелочи активнее проявляют химические свойства, чем нерастворимые основания. Но несмотря на это, существует и особенности, характерные для двух типов оснований: взаимодействие с кислотами и разложение при высоких температурах. Рассматривая свойства щелочей, можно выделить их способности к взаимодействию с амфотерными оксидами и гидроксидами, с солями и неметаллами. Наличие щелочей в растворе можно обнаружить с помощью индикаторов фенолфталеина и лакмуса. Подводя итоги главы можно сделать вывод, что несмотря на разнообразие химических веществ и их свойств, сложные вещества могут иметь некоторые сходства в реакциях. К примеру, все классы сложных соединений способны разлагаться при нагревании. При этом продукты реакций могут отличаться, также, как и условия взаимодействия. Для солей характерно взаимодействие с кислотами, металлами и солями. Важными свойствами кислот является взаимодействие с металлами, основаниями, а также основными или амфотерными оксидами и гидроксидами. Среди оснований более активными химическими свойствами выделяются растворимые основания, так называемые щелочи. Щелочи способны взаимодействовать с амфотерными оксидами и гидроксидами, солями и неметаллами. Присутствие щелочей или кислот в растворе возможно определить с помощью индикаторов. Но также, как и в случае с реакциями, при использовании индикатора следует учитывать особенности конкретного класса соединений.Генетическая связь между химическими веществамиОпределение сущности генетической связиВ современной химии известно огромное разнообразие химических веществ, проявляющееся в их генетической связи, отражённой генетических рядах. Генетические ряды содержат следующие признаки:1. Все вещества в ряду должны быть образованы от одного химического элемента. Представлен следующий ряд:Br2 HBr NaBr NaNO3.Как можно заметить, в последнем звене отсутствует исходный элемент – бром, поэтому данный ряд не считается генетическим. Чтобы ряд можно было считать генетическим рядом брома, необходимо скорректировать его следующим образом:Br2 HBr NaBr AgBr.2. Вещества, образованные от исходного химического элемента, должны относиться к разным классам соединений.3. Вещества в генетическом ряду должны быть связаны взаимопревращениями. Данный признак позволяет классифицировать генетические ряды на полные и неполные. Полным генетическим рядом принято считать такой ряд, в котором конечное вещество совпадает с исходным. Если генетический ряд начинается с простого вещества, но заканчивается сложным, то такой ряд нельзя считать полным. Примером неполного генетического ряда можно считать ряд, представленный выше. Полный генетический ряд выглядит следующим образом:Br2 HBr NaBr AgBr Br2.Стоит отметить, что генетический ряд является более конкретным проявлением генетической связи, образующейся при любых превращениях. Таким образом, можно сделать вывод, что под понятие генетическая связь подходит и самый первый ряд, не являющийся при этом генетическим.Генетическая связь между неорганическими соединениямиДля того чтобы охарактеризовать генетическую связь между неорганическими веществами, целесообразно рассмотреть некоторые разновидности генетических рядов: металла, неметалла и амфотерного вещества.При рассмотрении генетических рядов, исходным элементом которых является металл, самыми богатыми считаются те ряды, элемент которых способен проявлять разные степени окисления. Например, железо обладает различными степенями окисления: +2 и +3, поэтому имеет большой генетический ряд, что можно увидеть на рисунке 2.Рисунок 2 – Генетический ряд железаВажно напомнить, что получение железа со степенью окисления +2 возможно благодаря применению более слабых окислителей, чем для получения железа со степенью окисления +3.Для генетических рядов с исходным элементом неметаллом, действуют аналогичные правила, что и для металлов. Максимальное количество генетических связей у элементов с различной степенью окисления. Примером генетического ряда с элементом неметаллом, обладающим значительным количеством связей, можно назвать генетический ряд серы, представленный на рисунке 3. Рисунок 3 – Генетический ряд серыВсе переходы, представленные на рисунке 3, выполняются достаточно легко, за исключением последнего. Но следует запомнить одно правило, которое позволит осуществить данный переход. Согласно правилу, для получения простого вещества из окисленных элементов, необходимо применить самое восстановленное его соединение. Например, для генетического ряда серы идеально может подойти летучее водородное соединение неметалла, такое как H2S.Генетические ряды с амфотерным веществом также обладают большим количеством связей, благодаря проявлению свойств как кислот, так и оснований. В качестве примера предлагается рассмотреть ряд алюминия, представленный на рисунке 4. Рисунок 4 – Генетический ряд алюминияКак видно из рисунка 4, алюминий действительно можно считать обладателем большого числа генетических связей.Таким образом, для оценки количества генетических связей элементов, необходимо рассматривать их генетические ряды. Очевидно, что если в генетическом ряду большое количество переходов, то это показывает и о значительном числе связей элемента. Стоит отметить, что среди металлов и неметаллов наибольшим числом связей обладают те элементы, которые могут иметь разные степени окисления. Например, среди металлов значительным числом генетических связей обладает железо, а среди неметаллов – сера. Также большим числом генетических связей обладают амфотерные вещества, поскольку в зависимости от условий они могут проявлять как кислотные, так и основные свойства. Генетическая связь между органическими соединениямиГенетический ряд органических соединений в основном составляют вещества, имеющие одинаковое число атомов углерода в молекуле. Схема генетического ряда для конкретного вещества – этана, представлена на рисунке 5.Рисунок 5 – Схема генетического ряда этанаКак видно на рисунке 5, количество генетических переходов этана значительно превышает аналогичное число для неорганических элементов. Целесообразно рассмотреть каждый переход, представленный на рисунке 5: C2H6 + Cl2 C2H5Cl + HCl;C2H5Cl + KOH C2H5OH + KCl;C2H5OH + [O] CH3CHO + H2O;CH3CHO + Ag2O CH3COOH + 2Ag;C2H6 C2H4 + H2;C2H4 + H2O C2H5OH;C2H6 C2H2 + 2H2;C2H2 + H2O CH3CHO;C2H5Cl C2H4 + HCl;C2H4 C2H2 + H2;2’)C2H5OH + HCl C2H5Cl + H2O;3’)CH3CHO + H2 C2H5OH;5’)C2H4 + H2 C2H6;6’)C2H5OH C2H4 + H2O;7’)C2H2 + 2H2 C2H6;9’)C2H4 + HCl C2H5Cl;10’)C2H2 + H2 C2H4;CH3COOH + Cl2 CH2Cl-COOH + HCl;CH2ClCOOH + 2NH3 NH2CH2COOH + NH4Cl;nH2NCH2COOH (-NH-CH2-CO-)n.Стоит обратить внимание, что в 13 переходе продукт реакции содержит множество углеродных атомов, а не 2, как в остальных. Но этот переход играет не менее важную роль – показывает многообразие генетических связей.Таким образом, легко заметить, что количество связей органических элементов значительно превышает аналогичный показатель для неорганических.Подводя итоги главы можно сделать вывод, что для оценки числа генетических связей целесообразно использовать генетические ряды. При этом важно понимать, что генетическая связь является более обобщённым понятием, и, соответственно, может выходить за рамки принципов, обозначенных для генетических рядов. Среди неорганических веществ, наибольшим числом генетических связей обладают амфотерные элементы, а также металлы и неметаллы, способные иметь несколько степеней окисления. Для оценки числа генетических связей органических элементов, обычно рассматривают генетические ряды веществ, имеющих одинаковое число атомов углерода в молекуле. Сравнивая число связей у органических и неорганических веществ можно сделать вывод, что первые обладают значительным преимуществом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В современной химии существует широкое разнообразие элементов, отличающихся между собой по строению, и, безусловно, по химическим свойствам. При этом химические свойства могут отличаться не только в зависимости от классов, но и внутри каждого класса соединений. Так, у металлов проявление восстановительных свойств отличается в зависимости от значения стандартного потенциала: чем меньше потенциал, тем сильнее металлические свойства. Химические свойства неметаллов увеличиваются противоположно металлическим.Несмотря на различия в строении и свойствах, вещества могут также иметь одинаковые закономерности. Большинство сложных веществ под воздействием высоких температур принимают участие в реакциях разложения, или взаимодействуют с определёнными подклассами. Но при этом продукты реакции, а также условия протекания могут отличаться не только между классами, но и внутри одного класса.С течением времени химия продолжает своё развитие. Если раньше с трудом можно было определить состав вещества, то со временем были созданы индикаторы и методы, с помощью которых можно судить о наличии в растворе кислоты или основания. Необходимо поддерживать стремление к развитию химии, и одним из способов можно считать изучение генетических связей элементов. Для оценки численности генетических связей обычно составляют генетические ряды элементов. Однако, понятие генетическая связь является более общим, поэтому возможны некоторые исключения из принципов, установленным для рядов. При сравнении генетического ряда неорганических и органических элементов можно сделать вывод, что последние имеют преимущество по числу генетических связей.ГлоссарийАтом – наименьшая частица химического элемента.Ион – одноатомная или многоатомная частица, несущая электрический заряд.Химический элемент – совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра.Простое вещество – химическое соединение, состоящее из атомов одного химического элемента.Сложное вещество – химическое соединение, образованное разными химическими элементами.Амфотерность — способность некоторых химических веществ и соединений проявлять в зависимости от условий как кислотные, так и основные свойства.Генетическая связь – это связь между классами соединений, отражающая возможность превращения вещества одного класса в вещество другого класса.Органические соединения – это соединения углерода с другими элементами (водородом, кислородом, азотом, серой, фосфор, галогены), которые содержат в своем составе С-С и С-Н связи.Неорганические соединения – простые вещества и соединения, не являющиеся органическими, то есть, не содержащие углерода, а также некоторые углеродсодержащие соединения (карбиды, цианиды, карбонаты, оксиды углерода, CO и СO2 и некоторые другие вещества).

Список использованных источников

Бадаев Ф.З. Химия металлов: учебное пособие / Ф.З. Бадаев. – М.: МГИУ, 2012. – 124 с.Коровин Н.В. Курс общей химии / Н.В. Коровин. – М.: Высшая школа, 2006. – 446 с.Глинка Н.Л. Общая химия / Н.Л. Глинка. – М.: Юрайт, 2013. – 914 с.Барагузина, В.В. Общая и неорганическая химия: Учебное пособие / В.В. Барагузина, И.В. Богомолова, Е.В. Федоренко. - М.: ИЦ РИОР, 2017. - 272 c.Габриелян О.С., Остроумов И.Г., Соловьев С.Н., Маскаев Ф.Н. Общая химия: Учебник для 11 класса общеобразовательных учреждений с углубленным изучением химии. – М.: Просвещение, 2005.