Основные классы неорганических веществ

Металлы. Неметаллы.Все элементы ПСЭМ делятся на металлы и неметаллы. К металлам относятся элементы главных подгрупп, расположенные в ПСЭМ ниже диагонали: бор (B), кремний (Si), мышьяк (As), теллур (Te), астат (At), все элементы побочных подгрупп, включая лантаниды и актиниды. Элементы, находящиеся в ПСЭМ выше этой диагонали, включая B, Si, Te, At, являются неметаллами. Элементы германий, мышьяк и сурьма относятся к так называемым полуметаллам. Эти элементы обладают свойствами как металлов, так и неметаллов.

Все металлы, за исключением ртути, при стандартных условиях (298,15 К, 101,325 кПа) являются твердыми блестящими веществами, хорошо проводят электрический ток. Неметаллы могут быть газообразными (азот, кислород), жидкими (бром) и твердыми (углерод, фосфор).

В химических реакциях металлы обычно отдают электроны, т.е. проявляют положительные степени окисления. Между собой металлы, как правило, образуют не химические соединения определенного состава, а соединения переменного состава, называемые сплавами. Для металлов характерны химические реакции с неметаллами.

Неметаллы в химических реакциях обычно принимают электроны и проявляют отрицательные степени окисления. Неметаллы могут реагировать как с металлами, так и между собой.

Бинарные соединения (оксиды, галогениды, сульфиды). Бинарными соединениями называют соединения, образованные двумя элементами. Наиболее распространёнными и важными являются соединения различных элементов с кислородом (оксиды), элементами 7-й группы главной подгруппы, называемыми общим термином галогены, – фтором, хлором, бромом, иодом (галогениды) и серой (сульфиды).

Почти все элементы ПСЭМобразуют соединения с кислородом, большинство при непосредственном взаимодействии элементов. Название соединения элемента с кислородом образуют путем прибавления названия элемента в родительном падеже к слову оксид. Например, СаО – оксид кальция. Если элемент образует несколько оксидов, то после названия добавляют степень окисления элемента в круглых скобках, например FeO – оксид железа (II), Fe₂O₃ – оксид железа (III). Приведем несколько примеров реакций образования оксидов:

2Ca + O₂ =2CaO – оксид кальция;

2Mg + O₂ =2MgO – оксид магния;

4Al + 3O₂ = 2Al₂O₃ – оксид алюминия;

Si + O₂ = SiO₂ – оксид кремния;

S + O₂ = SO₂ – оксид серы (IV).

Реакции элементов с галогенами сопровождаются образованием галогенидов:

H₂ + Cl₂ = 2HCl – хлорид водорода (хлористый водород);

2Na + Cl₂ = 2NaCl – хлорид натрия (поваренная соль);

Сa + F₂ = CaF₂ – фторид кальция;

2Al + 3I₂ = 2AlI₃ – иодид алюминия.

Водные растворы соединений галогенов с водородом являются кислотами, например HF – плавиковая кислота, HCl – соляная, или хлористоводородная, кислота.

Многие элементы могут вступать в реакции с серой, образуя сульфиды:

2Na + S = Na₂S – сульфид натрия;

Mg + S =MgS – сульфид магния.

Водный раствор соединения серы с водородом (H₂S) проявляет кислотные свойства и носит название сероводородной кислоты.

Химические свойства оксидов. Оксиды металлов 1-й и 2-й групп главных подгрупп ПСЭМ могут взаимодействовать с водой, образуя гидроксиды или основания:

Na₂O + H₂ O = 2NaOH – гидроксид натрия (едкий натр);

СаO + H₂ O = Ca(OH)₂ – гидроксид кальция (гашёная известь).

Оксиды, способные образовывать прямо или косвенно основания, называют основными оксидами.

Оксиды многих неметаллов при взаимодействии с водой образуют кислоты:

СO₂ + H₂ O = H₂СO₃ – угольная кислота;

SO₃ + H₂ O = H₂SO₄ – серная кислота.

Оксиды, способные образовывать прямо или косвенно кислоты, называют кислотными оксидами.

Основные оксиды способны взаимодействовать с кислотными оксидами с образованием солей:

СаO + СO₂ = СаСO₃ – карбонат кальция, соль угольной кислоты;

MgO + SO₃ = MgSO₄ – сульфат магния, соль серной кислоты.

Ряд оксидов, называемых амфотерными, способен реагировать и с кислотными и основными оксидами. К ним относятся, например, оксиды бериллия, алюминия, цинка.

ZnO + СаO = СaZnO₂ – цинкат кальция;

ZnO + SO₃ = ZnSO₄ – сульфат цинка.

Многие оксиды непосредственно с водой не взаимодействуют, например SiO₂, MgO и др. Тем не менее косвенными реакциями могут быть получены соответствующие основания (например, Mg(OH)₂ – гидроксид магния) или кислоты (H₂SiO₃ – кремниевая кислота). По этой причине оксид магния относят к основным оксидам, а оксид кремния – к кислотным.

Гидроксиды (кислоты, основания, амфотерные гидроксиды). Основания и содержащие кислород кислоты имеют в своём составе гидроксидную группу (ОН) и называются гидроксидами. Например:

Различия в химических свойствах гидроксидов определяются различиями свойств атомов, с которыми связаны гидроксидные группировки ОН. Гидроксиды, образованные атомами элементов со степенью окисления, равной 1, почти всегда являются основаниями. Большинство гидроксидов, образованных атомами элементов со степенью окисления 2, также относятся к основаниям. Гидроксиды, образованные атомами элементов со степенью окисления от 4 до 8, относятся к кислотам. Если же степень окисления атомов равна 3, то их гидроксиды обычно являются амфотерными. Амфотерными являются также некоторые из гидроксидов элементов со степенями окисления 2 и 4.

Для кислот характерны следующие основные химические свойства:

· взаимодействие с активными металлами с образованием солей и выделением водорода:

H₂SO₄ + Mg = MgSO₄ + H₂;

· взаимодействие с основаниями и амфотерными гидроксидами (реакция нейтрализации), в результате чего образуются соли и вода:

HNO₃ + NaOH = NaNO₃ + H₂O;

2HNO₃ + Zn(OH)₂ = Zn(NO₃)₂ + 2H₂O;

· взаимодействие с основными и амфотерными оксидами с образованием солей и воды:

2HCl + MgO = MgCl₂ + H₂O;

2HCl + ZnO = ZnCl₂ + H₂O.

Наиболее типичными реакциями оснований являются:

· взаимодействие с кислотами и амфотерными гидроксидами с образованием солей и воды (реакция нейтрализации):

Са(OH)₂ + H₂SO₄ = СаSO₄ + H₂O;

Са(OH)₂ + Zn(OH)₂ = СаZnO₂ + 2H₂O;

· взаимодействие с кислотными и амфотерными оксидами с образованием солей и воды:

2KOH + CO₂ = K₂CO₃ + H₂O;

2NaOH + Al₂O₃ = 2NaAlO₂ + H₂O.

Амфотерные гидроксиды ведут себя в реакциях с кислотами как основания, а в реакциях с основаниями как кислоты.

В табл. 1.6 приведены формулы и названия важнейших кислот и их солей и ряда оснований.

Таблица 1.6. Формулы и названия некоторых оснований, кислот и их солей

Формула	Химическое название	Синоним (тривиальное название)	Химическое название солей
H2SO4	Серная кислота		Сульфаты
HNO3	Азотная кислота		Нитраты
HCl	Хлористоводородная кислота	Соляная кислота	Хлориды
H2CO3	Угольная кислота		Карбонаты
СН3СООН	Уксусная кислота		Ацетаты
NaOH	Гидроксид натрия	Едкий натр, каустическая сода
KOH	Гидроксид калия	Едкое кали
Ca(OH)2	Гидроксид кальция	Гашеная известь
NH4OH	Гидроксид аммония	Водный ам-миак, наша-тырный спирт

 

Соли. Соединения, содержащие в своём составе атомы металлов и кислотные остатки, называются солями.

Соли можно рассматривать как продукты замещения атомов водорода в молекулах кислот на атомы металла. При полном замещении всех способных к замещению атомов водорода в молекуле кислоты образуются средние соли, например Na₂SO₄ – сульфат натрия. При частичном замещении атомов водорода в молекулах многоосновных кислот образуются кислые соли, например NaHСO₃ – гидрокарбонат натрия (устаревшее название – бикарбонат натрия).

Соли можно также рассматривать как продукты замещения гидроксидных групп в молекуле основания на кислотные остатки. При полном замещении всех гидроксидных групп образуются средние соли, например СаCl₂. При частичном замещении образуются основные соли, например Ca(OH)Cl – гидроксохлорид кальция. Очевидно, что основные соли не могут быть образованы гидроксидами одновалентных металлов.

Приведем некоторые химические свойства солей.

· Взаимодействие с растворимыми в воде основаниями (NaOH, КOH, Са(OH)₂); реакции протекают в том случае, если образующийся гидроксид плохо растворим в воде:

Zn(NO₃)₂ + 2NaOH =2 NaNO₃ + Zn(OH)₂ ↓.

Стрелка означает, что гидроксид цинка выпадает в осадок.

· Взаимодействие с кислотами; реакция протекает, если продукт реакции является летучим:

Na₂CO₃ + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + H₂CO₃.

Угольная кислота неустойчива, легко разлагается на воду и летучий углекислый газ. Иначе реакция может быть записана так:

Na₂CO₃ + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + H₂О + CO₂↑.

Стрелка означает, что углекислый газ улетучивается.

· Соли взаимодействуют друг с другом, если один из продуктов реакции плохо растворим в воде:

Na₂CO₃ + СаCl₂ = СаCO₃↓ + 2NaCl.