Основные классы неорганических соединений

(Время на самостоятельную работу – 4 часа)

Классификация веществ облегчает их изучение, а знание особенностей классов позволит охарактеризовать свойства отдельных их представителей.

Все вещества делятся на простые и сложные. Простые вещества состоят из атомов только одного вида и подразделяются на металлы и неметаллы. Металлы на внешнем энергетическом уровне имеют малое число электронов (от одного до трех), для них характерна металлическая связь, в периодической таблице они расположены в первой-третьей группах (главная подгруппа) и в побочных подгруппах (так называемые переходные металлы). Исключениями из этого правила являются бор (В) – он находится в третьей группе, но проявляет неметаллические свойства; свинец (Pb), олово (Sn) и висмут (Bi), расположенные в четвертой (Pb, Sn) и пятой (Bi) группах, но проявляющие металлические свойства. Соответственно неметаллы имеют на внешнем энергетическом уровне четыре и более электронов и способны образовывать ковалентные связи. В периодической таблице неметаллы занимают от четвертой до восьмой группы (главная подгруппа). Элементы, находящиеся на границе между металлами и неметаллами, способны образовывать соединения с амфотерными, то есть двойственными, свойствами.

Сложные вещества состоят из двух и более видов различных атомов и делятся на оксиды, кислоты, основания и соли.

Оксиды – это бинарные (то есть состоящие из атомов двух видов) соединения элемента с кислородом, в которых степень окисления кислорода равна двум.

По химическим свойствам они подразделяются на солеобразующие и несолеобразующие. Несолеобразующие оксиды не могут вступать в реакции кислотно-основного взаимодействия, не могут, как это следует из их названия, образовывать соли, а вступают только в реакции окисления-восстановления. Это такие оксиды, как СО, NO и некоторые другие.

Солеобразующие оксиды подразделяются на основные, кислотные и амфотерные.

Основные оксиды образованы типичными металлами, степень окисления металла в таких оксидах обычно равна +1 или +2, таким оксидам соответствуют основания. Примером основных оксидов служат Na₂O, MgO, FeO, Ag₂O, NiO и другие. Кислотные оксиды образованы, во-первых, типичными неметаллами (СО₂, SiO₂, SO₃, Cl₂O₇ и другие) и, во-вторых, переходными металлами в высокой степени окисления (+5, +6, +7). Примером таких оксидов являются Mn₂O₇, CrO₃, V₂O₅ и другие. Этим оксидам соответствуют кислоты. Оксиды, занимающие промежуточное положение между основными и кислотными, способные реагировать как с кислотами, так и со щелочами, называют амфотерными. Элементы, образующие амфотерные оксиды, как правило, проявляют степень окисления +3 и +4 (это оксиды Al₂O_3, Fe₂O₃, SnO₂, PbO₂,Cr₂O₃, MnO₂). Кроме того, к амфотерным оксидам относятся оксиды BeO, ZnO, SnO, PbO, в которых элементы имеют степень окисления +2. Всем этим оксидам соответствуют амфотерные гидроксиды, которые в зависимости от условий могут проявлять как кислотные, так и основные свойства.

Оксиды получают:

1) при окислении простых веществ:

2Mg + O₂ → 2MgO;

S + O₂ → SO₂;

C + O₂ → CO₂→ (применяют как компонент очистителя тормозов);

2) при окислении сложных веществ:

4FeS + 7O₂ → 2Fe₂O₃ + 4SO₂;

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O;

3) при разложении сложных веществ:

H₂SO₃ ↔ H₂O + SO₂;

CaCO₃ → CaO + CO₂;

Cu(OH)₂ → CuO + H₂O.

Основные оксиды взаимодействуют с водой только в том случае, если при этом получается растворимое основание (щелочь). Это оксиды щелочных и щелочно-земельных металлов:

K₂O + H₂O → 2KOH→ (применяют как компонент очистителя дисков, как электролит в щелочных аккумуляторах).

BaO + H₂O → Ba(OH)₂.

Если основному оксиду соответствует нерастворимое основание, такой оксид в воде не растворяется и с ней не взаимодействует. Все основные оксиды реагируют с кислотами с образованием солей:

Na₂O + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + H₂O;

FeO + 2HCl → FeCl₂ + H₂O.

Основные оксиды реагируют также с кислотными оксидами:

K₂O + CO₂ → K₂CO₃;

CaO + N₂O₅ → Ca(NO₃)₂.

Кислотные оксиды реагируют с водой с образованием кислоты:

SO₂ + H₂O ↔ H₂SO₃;

CrO₃ + H₂O → H₂CrO₄.

Только один из кислотных оксидов – оксид кремния SiO₂ – не реагирует с водой, так как соответствующая ему кремниевая кислота не растворима в воде. Кислотные оксиды ещё называют ангидридами.

Кислотные оксиды реагируют со щелочами с образованием солей:

SO₂ + 2NaOH → Na₂SO₃ + H₂O;

P₂O₅ + 6KOH → 2K₃PO₄ + 3H₂O.

Кислотные оксиды реагируют с основными оксидами с образованием солей:

SiO₂ + Na₂O → Na₂SiO₃;

V₂O₅ + CaO → Ca(VO₃)₂.

Амфотерные оксиды с водой не реагируют, но реагируют с кислотами подобно основным оксидам:

ZnO + 2HCl → ZnCl₂ + H₂O;

Al₂O₃ + 3H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 3H₂O.

С основаниями амфотерные оксиды реагируют подобно кислотным, то есть входят в состав кислотного остатка:

ZnO + 2NaOH → Na₂ZnO₂ + H₂O (при сплавлении);

ZnO + 2NaOH + H₂O → Na₂[Zn(OH)₄] (в растворе щелочи).

Гидроксиды – это сложные соединения, состоящие из оксида и воды. Гидроксиды обычно рассматривают как продукты взаимодействия оксидов с водой независимо от того, наблюдается это взаимодействие в действительности или гидроксид может быть получен только косвенным путем. Оксиды металлов, взаимодействуя с водой, дают основные гидроксиды или основания. Оксиды неметаллов, соединяясь с водой, образуют кислотные гидроксиды или кислоты.

Гидроксиды металлов, которые могут проявлять как основные, так и кислотные свойства, называются амфотерными гидроксидами.

Основания – это сложные соединения, состоящие из атома металла и одной или нескольких гидроксогрупп. Например, Ni(OH)₂, Cu(OH)₂, Mg(OH)₂, AgOH и другие.

Растворимые в воде основания называют щелочами: NaOH, KOH, Ca(OH)₂, Ba(OH)₂.

Основания получают при взаимодействии:

1) щелочных и щелочно-земельных металлов с водой:

2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂;

Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂;

2) при взаимодействии оксидов щелочных и щелочно-земельных металлов с водой:

K₂O + H₂O → 2KOH;

BaO + H₂O → Ba(OH)₂;

3) нерастворимые основания получают при реакции солей со щелочами:

CuSO₄ + 2NaOH → Cu(OH)₂ + Na₂SO₄;

FeCl₂ + 2KOH → Fe(OH)₂ + 2KCl.

Основания взаимодействуют с кислотными оксидами, кислотами и солями:

Ca(OH)₂ + SO₃ → CaSO₄ + H₂O;

Fe(OH)₂ + H₂CO₃ → FeCO₃ + 2H₂O;

2KOH + CuCl₂ → Cu(OH)₂ + 2KCl.

Амфотерные гидроксиды способны реагировать как с кислотами, так и со щелочами, но в воде не растворяются:

Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O;

Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄] (в растворе);

Al(OH)₃ + NaOH → NaAlO₂ + 2H₂O (при сплавлении).

Кислоты – это сложные соединения, состоящие из одного или нескольких атомов водорода, способных замещаться металлом, и аниона кислотного остатка.

Все кислоты подразделяются:

1) по содержанию кислорода – на кислородсодержащие (H₂SO₄, HNO₃, H₃PO₄) и бескислородные (HCl, H₂S, HCN);

2) по числу атомов водорода – на одноосновные (HCl, HNO₃), двухосновные (H₂CO₃, H₂SO₄, H₂S) и трехосновные (многоосновные) (H₃PO₄, H₃AsO₄);

3) по степени диссоциации – на сильные электролиты (HCl, H₂SO₄, HNO₃, HI, HBr) и слабые электролиты (H₂CO₃, H₂S и др.);

4) по окислительной способности – на кислоты-сильные окислители (HNO₃, H₂SO₄, H₂CrO₄, HMnO₄) и неокислительные кислоты.

В таблице приводятся названия и формулы важнейших кислот и соответствующих солей.