3 Лабораторная работа №3

Основные классы неорганических соединений (часть I: оксиды, основные и амфотерные гидроксиды)

Цель работы: усвоение классификации и взаимосвязи между основными классами неорганических соединений; получение неорганических соединений и изучение их свойств.

Оборудование и реактивы: спиртовка, штатив с бюреткой, держатель для пробирок, пинцет, шпатели, фильтровальная бумага, пробирки, пипетки, стеклянная трубочка, фарфоровая чашка, индикаторы: фенолфталеин и метиловый оранжевый, дистиллированная вода, порошкообразные CuO, MgO, CaO, ZnO, металлические натрий, 0,5н. растворы CuSO₄, Al₂(SO₄)₃, 2н. растворы NaOH, H₂SO₄, HCl, 30% раствор NaOH.

3.1 Теоретические пояснения

По функциональным признакам к основным классам неорганических соединений принято относить оксиды, гидроксиды (основные, кислотные, амфотерные) и соли, которые можно рассматривать как продукты взаимодействия различных по кислотно-основным свойствам оксидов и гидроксидов. Включение именно этих классов соединений в группу основных неорганических соединений обусловлено химическими особенностями земной атмосферы, где главным окислителем является кислород, а также тем, что самой распространенной жидкостью на Земле является вода.

Генетическая связь между основными классами неорганических соединений показана на рисунке 3.1.

Сложные неорганические вещества по составу делятся на бинарные (двухэлементные), например оксиды, галогениды, сульфиды, гидриды, нитриды, карбиды, и многоэлементные соединения.

Оксиды – это бинарные соединения элементов с кислородом, в которых он проявляет степень окисления –2. Бинарные соединения с фтором, где кислород проявляет положительную степень окисления, а также пероксиды (степень окисления –1), супероксиды (степень окисления –1/2), озониды (степень окисления –1/3) оксидами не являются.

По функциональным признакам оксиды делятся на солеобразующие (при взаимодействии с кислотами или основаниями дают соли) и несолеобразующие, которые не образуют солей, им не соответствуют гидроксиды с той же степенью окисления элемента, что и в оксиде. Несолеобразующие оксиды могут вступать с кислотами или основаниями только в окислительно-восстановительное взаимодействие. Примером таких оксидов служат N₂O, NO, CO, SiO, OsO₄SO, SeO, TeO и другие.

					+H2O	Растворимые основные гид-роксиды (ще-лочи)		С о л и
	O2	Основные оксиды
Металлы				Со л и	+щелочь	Малораство-римые основные гид-роксиды
		Амфотерные оксиды			+щелочь
Неметаллы						Амфотерные гидроксиды
	O2	Кислотные оксиды			+более сильная
					кислота +H2O	Кислотные гидроксиды (кислородсо-держащие кислоты)

Рисунок 3.1 – Генетическая связь между основными классами неорганических соединений

Солеобразующие оксиды подразделяются на основные, кислотные (ангидриды кислот) и амфотерные.

К основным оксидам относятся оксиды щелочных и щелочноземельных металлов, MgO, CuO(основные свойства преобладают), CdO, HgO, VO, CrO, MnO, FeO, NiO, CoO, Bi₂O₃ и другие. Основные оксиды взаимодействуют с кислотами и кислотными оксидами с образованием солей. Например,

CaO + 2HCl = CaCl₂ + H₂O; SO₃ + CaO = CaSO_4.

Они генетически связаны с металлами, имеющими небольшую степень окисления (+1, +2,редко +3). Непосредственно с водой взаимодействуют оксиды щелочных и щелочноземельных металлов, частично MgO. При этом образуются основные гидроксиды.

BaO+H₂O=Ba(OH)₂

Кислотные оксиды взаимодействуют с основаниями и основными оксидами с образованием солей.

Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃¯ + H₂O

Многие кислотные оксиды, за небольшим исключением (SiO₂, TeO₂, TeO₃, MoO₃, WO₃и другие), непосредственно взаимодействуют с водой, образуя кислородсодержащие кислоты.

P₂O₅+3H₂O=2H₃PO₄

Кислотные оксиды генетически связаны с неметаллами, а также металлами в высоких степенях окисления: +4, +7. К кислотным оксидам относятсяCO₂, SiO₂, SO₂, SO₃, P₂O₅, N₂O₃, NO₂, N₂O₅, B₂O₃, CrO₃, Mn₂O₇ и другие.

Амфотерные оксиды взаимодействуют как с кислотами, так и с основаниями с образованием солей.

ZnO+ 2HCl = ZnCl₂ + H₂O;

ZnO + 2NaOH +H₂O = Na₂[Zn(OH)₄].

Эти оксиды непосредственно с водой не взаимодействуют, генетически связаны с некоторыми металлами в степени окисления +2и почти со всеми металлами в степенях окисления+3, +4. К амфотерным оксидам относятсяBeO, ZnO, PbO, SnO, Al₂O₃, Cr₂O₃, SnO₂, PbO₂, Sb₂O₃ и другиие.

Как показывают приведенные примеры, с повышением степени окисления металла основные свойства их оксидов ослабевают, а кислотные усиливаются.

Существуют так называемые смешанные оксиды. Некоторые из них относятся к оксидам лишь формально. Их следует рассматривать как соли металла и кислородсодержащей кислоты, в состав которой входит тот же металл, но в более высокой степени окисления. Например, Pb₂O₃– свинцовая соль метасвинцовой кислоты (H₂PbO₃). Однако в кристаллической решеткеFe₃O₄не содержится групп атомов, соответствующих кислотному остатку, поэтому данное соединение рассматривают как смешанный оксидFe (II) и Fe(III).

Двойные оксиды составов (М^΄,М₂)О₄ и (М₂^΄,М)О₄, гдеМ^΄ – металл в степени окисления+2, называются шпинелями. Например,MgAl₂O₄– тетраоксид диалюминия-магния называют также алюмомагниевой шпинелью.

Названия оксидов образуются следующим образом:

• слово «оксид» и название элемента в родительном падеже с указанием в скобках римской цифрой его степени окисления (если элемент может проявлять несколько степеней окисления);

• стехиометрические соотношения между элементами указываются при помощи греческих умножающих префиксов, присоединяемых без дефиса к названиям элементов (если в формуле свыше 12 атомов одного вида, то вместо префиксов используются цифры).

Например, СО₂ – оксид углерода (IV) или диоксид углерода,N₂O – оксид азота (I) или оксид диазота,Fe₃O₄– оксид дижелеза (III)-железа (II) или тетраоксид трижелеза,W₂₀O₅₈ – 58 – оксид 20 – вольфрама.

Солеобразующим оксидам соответствуют гидроксиды – соединения, содержащие гидроксильные группы ОН. По кислотно-основным свойствам гидроксиды подразделяются на основные, кислотные и амфотерные.

Основные гидроксиды диссоциируют в водных растворах с образованием в качестве анионов только ОН^-. Они подразделяются на малорастворимые в воде основания и хорошо растворимые основания или щелочи. Важнейшее химическое свойство основных гидроксидов – способность взаимодействовать с кислотами и кислотными оксидами с образованием солей.

Амфотерные гидроксиды могут взаимодействовать как с кислотами, так и со щелочами с образованием солей.

Zn(OH)₂ + H₂SO₄ = ZnSO₄ + 2H₂O;

Zn(OH)₂ + 2NaOH = Na₂[Zn(OH)₄].

Названия основных и амфотерных гидроксидов состоят из слова «гидроксид» и названия элемента в родительном падеже с указанием в скобках римскими цифрами его степени окисления (если данный элемент может проявлять несколько степеней окисления).