Основные классы неорганических соединений. Вещество – гомогенный (однородный) материал, имеющий определенный химический состав

Лекция

 

Вещество – гомогенный (однородный) материал, имеющий определенный химический состав. Вещества подразделяются на простые (элементарные) вещества и сложные (химические соединения) вещества.

Простые вещества нельзя разложить, в то время как сложные вещества можно разложить на два или несколько веществ. Например, воду можно разложить электрическим током на два вещества – водород и кислород, оксид ртути (II) можно разложить нагреванием на ртуть и кислород. Следовательно, вода и оксид ртути – сложные вещества (химические соединения). Но до сих пор не удалось разложить натрий, водород, ртуть на другие вещества. Следовательно, перечисленные вещества следует считать простыми (элементарными).

Сложные неорганические вещества или химические соединения по функциональным признакам обычно делятся на следующие важнейшие классы: оксиды, гидроксиды (кислоты, основания, амфотерные гидроксиды), соли.

Оксидами называются сложные вещества, состоящие из двух элементов, одним из которых является кислород в степени окисления – 2 (исключением является фторид кислорода F₂О, где степень окисления кислорода + 2).

Названия оксидов образуются из слова оксид и названия элемента в родительном падеже. В том случае, если элемент имеет различные степени окисления, то абсолютную величину степени окисления указывают в скобках римскими цифрами после названия элемента:

Например: BaO – оксид бария; FeO – оксид железа (II)

Для обозначения количественного состава соединения используют греческие числительные в качестве приставки, например, СО – монооксид углерода, СО₂ – диоксид углерода, а именно:

1 Моно- 5 Пента- 9 Нона-

2 Ди- 6 Гекса - 10 Дека-

3 Три- 7 Гепта- 11 Ундека-

4 Тетра- 8 Окта- 12 Додека-

Оксиды делятся на солеобразующие и несолеобразующие.

 

Оксиды

 

 

Солеобразующие Несолеобразующие

/ N ₂O, NO, CO /

 

 

Основные Амфотерные Кислотные

/ CаО, FeO, Li₂O/ / Al ₂O₃, ZnO, Cr ₂O₃ / / N ₂O₅, SO₃, CO ₂ /

 

 

Несолеобразующие (безразличные) оксиды не взаимодействуют ни с кислотами, ни с основаниями.

Солеобразующие оксиды делятся на основные, амфотерные и кислотные.

 

Основные оксиды – это оксиды типичных металлов, которым соответствуют основания. Например: Na₂O - NaOH, BaO – Ba(OH)₂, CaO – Ca(OH)₂, NiO – Ni(OH)₂ и т.д. В большинстве своем основные оксиды - это твердые кристаллические вещества.

 

Кислотные оксиды – это оксиды типичных неметаллов, а также некоторых металлов в высшей степени окисления, которым соответствуют кислоты. Например: CO₂, N₂O₅, P₂O₅, SO₂,SO₃, Cl₂O₇, CгO₃, Mn₂O₇ и т.д. Кислотные оксиды бывают газообразные /CO₂, SO₂ /, жидкие /SO₃, Cl₂O₇/ и твёрдые / P₂O₅, CгO₃/.

Кислотные оксиды могут быть получены путем отделения воды от соответствующей кислоты, поэтому их называют также ангидридами кислот. Например: CO₂ – ангидрид H₂CO₃, P₂O₅ – ангидрид H₃PO₄ и т.д.

 

Амфотерные оксиды – это оксиды, которые в зависимости от условий проявляют свойства кислотных и основных оксидов, т.е. обладают двойными свойствами. Например: ZnO, CuO, Al₂O₃, Fe₂O₃ и т.д._. Амфотерные оксиды, как правило, твёрдые вещества, нерастворимые в воде.

 

 

Химические свойства амфотерных оксидов:

Реагируют:

1) с сильными кислотами:

Al ₂O₃ + 6 НСl = AlСl₃ + 3 H₂O

2) с сильными основаниями (щелочами):

Al ₂O₃ + NaОН +3H₂O = 2 Na Al [(ОН)₄]

3) с основными оксидами: t

Zn O + CaO → CaZnO_2.

 

4) с кислотными оксидами: t

Zn O + SiO₂ → ZnSiO_3.

 

 

 

Соединения оксидов с водой можно рассматривать как гидроксиды, которые подразделяются на основные (проявляющие в химических реакциях свойства оснований), кислотные (проявляющие свойства кислот) и амфотерные (способные проявлять как кислотные, так и основные свойства).

 

Гидроксиды

К кислотам в соответствии с теорией электролитической диссоциации относят вещества, способные диссоциировать в растворе с образованием ионов водорода H ⁺:

HCl = H⁺ + Cl^-

H₃PO₄ = 3 H⁺ + PO₄^-3

В общем виде формулу кислоты можно записать как Н_nА, где А – кислотный остаток, n- число атомов водорода в молекуле или основность кислоты.

Кислоты делятся по степени диссоциации на сильные и слабые, по составу кислотного остатка на кислородсодержащие и бескислородные, по числу ионов водорода на одно-, двух- и более основные:

 

 

сильные слабые

H₂SO₄, HCl CH₃COOH, HCN бескислородные по степени

HCl, H₂S диссоциации

по составу

кислотного КИСЛОТЫ

остатка

 

 

по числу ионов водорода

кислородосодержащие одноосновные двухосновные трёхосновные

H₂SO₄, CH₃COOH HCl, CH₃COOH H₂S, H₂SO₄ H₃PO₄

 

Слабые кислоты в водных растворах диссоциируют незначительно и в ионных реакциях пишутся в недиссоциированном виде. Процесс диссоциации обратим. При этом устанавливается равновесии между непродиссоциировавшими молекулами и ионами, на которые идёт диссоциация, например:

H₃PO₄ ↔ H⁺+H₂ PO₄^-- (первая ступень)

H₂ PO₄^- ↔ H⁺+ H PO^2-- (вторая ступень)

H PO₄ ^2-- ↔H⁺+ PO₄^3-- (третья ступень)

Ступенчатой диссоциацией слабых кислот объясняется образование кислых солей.

 

Сильные кислоты диссоциируют в водных растворах полностью на ионы водорода и ионы кислотного остатка, например:

HCl = H⁺+ Cl^-

HNO₃ = H⁺+ NO₃^-

H₂SO₄ = 2 H⁺+ SO₄^2-

Название кислородосодержащей кислоты производится от названия неметалла с прибавлением окончаний – ная, - вая (если степень окисления неметалла соответствует номеру группы периодической системы, где расположен неметалл), – истая (если степень окисления неметалла меньше номера группы периодической системы, где расположен неметалл) и слова “кислота”:

Например:

HNO₃ – азотная кислота

HNO₂ - азотистая кислота

H₂SO₄ - серная кислота

H₂SO₃ - сернистая кислота

 

Если элемент в одной и той же степени окисления образует несколько кислородосодержащих кислот, то к названию кислоты с меньшим содержанием водородных атомов добавляется приставка ”мета”, с наименьшим - “орто”.

Например:

HPO₃ - метафосфорная кислота

H₃PO₄ - ортофосфорная кислота

H₂SiO₃ - метакремниевая кислота

H₄SiO₄ – ортокремниевая кислота

 

Название бескислородной кислоты также состоит из двух слов: первое производится от названия неметалла с окончанием - о и прибавлением слова водородная и слова “киcлота”.

Например:

HCl – хлороводородная кислота

H₂S – сероводородная кислота

HF – фтороводородная кислота

К основаниям (основным гидроксидам), согласно теории электролитической диссоциации, относят многоэлементные вещества, способные в водном растворе диссоциировать с образованием гидроксид-ионов ОН^-:

Ca(OH)₂ = Ca⁺² + 2 OH^-

LiOH = Li⁺ + OH^-

Название основания (или основного гидроксида) образовано из слова “гидроксид” и названия элемента в родительном падеже, после которого при необходимости указывают степень окисления элемента, например: КОН – гидроксид калия, Fe(OH)₃ – гидроксид железа (III). Общую формулу основания можно записать как М(ОН)_m, где М – металл, m – число гидроксильных групп или кислотность основания.

 

 

Основания бывают растворимые и нерастворимые в воде:

 

 

ОСНОВАНИЯ

 

 

Растворимые в воде Нерастворимые в воде

(щелочи) Cu(OH)₂,Fe(OH)₂

NaOH, Ba(OH)₂

 

 

Большинство оснований нерастворимо в воде. Растворяются лишь основания, образованные щелочными и щелочноземельными металлами (такие основания называют щелочами) и гидроксид аммония NH₃ ∙ H₂O (NH₄ОН).

Все малорастворимые основания и растворимое основание NH₄ОН являются слабыми и пишутся в недиссоциированном виде.

Амфотерные гидроксиды способны диссоциировать в водных растворах как по типу оснований, так и по типу кислот, например:

Zn(OH)₂ = Zn ⁺² + 2 OH^-

Zn(OH)₂ + 2 H₂O = 2H⁺ + [Zn(OH)₄]^-2

 

Амфотерные гидроксиды получают только косвенным путём действием щелочей на водные растворы соответствующих растворимых солей:

Al Cl₃ + 3КОН = Al (ОН)₃ + 3КCl

Al³⁺ +3ОН^- = Al (ОН)₃

Изучив такие классы неорганических веществ, как оксиды, основания, кислоты следует запомнить. что в химических реакциях взаимодействие идет только между веществами с противоположными свойствами,т.е. между веществами основного и кислотного характера.

 

Самый большой класс неорганических соединений составляют соли.

Солями называются сложные вещества, при диссоциации которых образуются катионы металла (или ион аммония или комплексные ионы) и анионы кислотных остатков.

Соли представляют собой продукты замещения атомов водорода кислоты на металл или гидроксидных групп основания на кислотный остаток. В зависимости от полноты замещения атомов водорода или гидроксильных групп соли делятся на три большие группы: средние, кислые и основные. Кроме этого, выделяют двойные, смешанные и комплексные соли.

 

СОЛИ

 

Кислые Средн Основные Двойные Смешанные Комплексные NaHCO₃ Na₂CO₃ CaOHCl К₂SO₄ × Al₂(SO₄)₃ Ca(OCl₂) [Cu(NH₃) ₄] SO₄

 

Двойные соли образованы двумя катионами и одним анионом:

К₂SO₄ × Al₂(SO₄)₃ алюмокалиевые квасцы

(NH₄)₂ SO₄ × FeSO₄ железоаммонийные квасцы

Двойные соли диссоциируют на ионы, из которых они состоят:

К₂SO₄ × Al₂(SO₄)₃ = 2 К⁺ + 2 Al ³⁺ + 4 SO₄^2-

(NH₄)₂ SO₄ × FeSO₄ = 2 NH₄⁺ + Fe²⁺ + 2SO₄^2-

Комплексные соли: образованы комплексным катионом или анионом:

[Cu(NH₃) ₄] SO_4, K₂[ Hg Y4]

Комплексные соли диссоциируют в две ступени как обычные сильные электролиты на все составляющие их ионы и молекулы:

I ступень [Cu(NH₃) ₄] SO₄ = [Cu(NH₃) ₄]²⁺ + SO₄^2-

IIступень [Cu(NH₃) ₄]²⁺ = Cu²⁺ + 4 NH₃⁰

Iступень K₂[ Hg Y4] = 2K⁺ + [ Hg Y₄] ^2-

IIступень [ Hg Y4] ^2- = Hg²⁺ + 4 Y^-

Смешанные соли: образованы одним катионом и двумя анионами и диссоциируют на все составляющие их ионы:

Ca(OCl₂) = Ca²⁺ + Cl^- + ClO^-

Средние соли - это продукты полного замещения водорода кислоты атомами металла и гидроксильных групп основания кислотными остатками. Средние соли состоят из ионов металла и кислотного остатка: KBr, ZnSO₄, BaCl₂, Cu(NO₃)₂.

Названия средних солей складываются из названия аниона кислоты в именительном падеже и катиона металла в родительном падеже. Например: Al₂(SO₄)₃ - сульфат алюминия; KI – йодид калия, CaCO₃ карбонат кальция и т.д. Если металл имеет переменную валентность, то она указывается после названия металла римской цифрой в скобках. Например: FeCl₂ - хлорид железа (II), FeCl₃ хлорид железа (III).

Примеры диссоциации средних солей:

Al₂(SO₄)₃ ↔ 2 Al³⁺ + 3SO₄^2-

K₃PO₄ ↔ 3 K⁺+ PO₄^3-

Сu(NO₃)₂ ↔ Сu²⁺ + 2 NO₃^-

 

Кислые соли - это продукты неполного замещения водорода в многоосновных кислотах на ионы металла, т.е. в кислых солях, кроме ионов металла и кислотного остатка содержатся ионы водорода (Н)⁺.

Название кислых солей складываются из названия аниона кислоты с добавлением приставки – гидро в именительном падеже и названия металла в родительном падеже. Например: Ca(HCO₃) ₂ - гидрокарбонат кальция, NaHS – гидросульфид натрия. При содержании в анионе кислоты двух ионов водорода употребляется приставка - дигидро. Например: NaH₂PO₄ – дигидрофосфат натрия.

Примеры диссоциации кислых солей:

NaНS ↔ Na⁺ + НS^-

Ca(HCO₃) ₂ ↔ Ca²⁺ + 2HCO₃^-

Na ₂НPO₄ ↔ 2Na⁺+ НPO₄^2-

NaН₂PO₄ ↔ Na⁺+ Н₂PO₄^-

 

Способы получения:

1) Неполная нейтрализация кислот:

NaОН + H₂SO₄ →=NaНSO₄ + H₂O

ОН^- + Н⁺ = HSO₄^- + H₂O

2) Действия избытка кислотных оксидов и основания:

Ca(OH)₂ + 2CO₂ = Ca(HCO₃) ₂ Ca(OH)₂+ 2CO₂ = Ca²⁺ + 2 HCO₃^-

2) Действия кислот на соли:

₃₎ CaCO₃ + CO₂+ H₂O = Ca(HCO₃) ₂

CaCO₃ + CO₂+ H₂O = Ca²⁺ + 2 HCO₃^-

Основные соли – это продукты неполного замещения гидроксогрупп основания на кислотные остатки, т.е. в основных солях кроме ионов металла и кислотного остатка, содержатся гидроксогруппы (OH^-). Основные соли образуют основания, содержащие два и более гидроксогруппы. Образование основных солей не характерно для сильных оснований и оснований, имеющих одну гидроксогруппу,

например: AlOHCl₂, (CuOH)₂CO_3, FeOHSO_4, (FeOH)₂Cl и т.д.

Названия основных солей складываются из названия аниона кислоты с добавлением приставки – гидроксо в именительном падеже и названия металла в родительном падеже, с указанием валентности металла римской цифрой в скобках, если он имеет переменную валентность. Например: AlОНCl₂ - гидроксохлорид алюминия, (CuOH)₂CO₃ - гидроксокарбонат меди, FeOHSO₄ – гидроксосульфат железа (III). При содержании в основной соли двух гидроксогрупп употребляется приставка дигидроксо: Fe(OH)₂Cl – дигидроксохлорид железа (III).

Основные соли диссоциируют на гидроксокатионы и кислотный остаток.:

AlОНCl₂ ↔ AlОН²⁺ + 2Cl^-

FeOHSO₄ ↔ FeOH²⁺ + SO₄^2-

Fe(OH)₂Cl ↔ [Fe(OH)₂ ] ⁺ + Cl^-

 

Способы получения:

Основные соли часто получаются при добавлении недостатка раствора щелочей к растворам средних солей металлов, имеющих малорастворимые основания, или при действии солей слабых кислот на средние соли:

Al Cl₃ + 2NaОН = Al(ОН)₂Cl + 2NaCl

Al³⁺ + 2 ОН^- = [Al (ОН)₂]⁺

2MgCl₂ + 2 Na₂CO₃ + H₂O = [Mg(ОН)₂CO₃] +CO₂ + 4 NaCl

2Mg²⁺ + 2 CO₃^2- + H₂O = (MgОН)₂CO₃ + CO₂