Лабораторна робота №1

Тема: Найважливіші класи неорганічних сполук (теоретичні відомості)

Численні сполуки, що їх утворюють хімічні елементи, характеризуються різноманітністю за складом та властивостями. Серед них найбільшу і найважливішу групу становлять неорганічні сполуки, властивості яких вивчаються студентами вищих навчальних закладів у курсах "Неорганічна хімія" та "Загальна хімія".

До найважливіших класів неорганічних сполук належать бінарні сполуки елементів з киснем (оксиди, пероксиди, надпероксиди, озоніди), основи, кислоти, амфотерні гідроксиди та солі. У підручниках та навчальних посібниках з хімії для вищих навчальних закладів тему "Найважливіші класи неорганічних сполук" висвітлено недостатньо. Між тим, знання хімічних властивостей речовин, які вступають у реакцію, дає можливість передбачити перебіг тієї чи іншої реакції, свідомо складати хімічні рівняння та робити кількісні розрахунки. Все це конче необхідне студентам для подальшого вивчення хімії.

Загалом відомо біля трьохсот тисяч неорганічних сполук. Серед них можна виділити чотири найважливіші класи: оксиди, основи, кислоти, солі. Знаючи особливості основних класів неорганічних сполук, можна описати властивості окремих їх представників.

Оксиди являють собою складні речовини, молекули яких складаються з атомів кисню та іншого хімічного елемента (металу або неметалу). Наприклад: оксиди літію – (Li₂O), ферум (II) – FeO, хрому (III) – Cr₂O₃, силіцій диоксид – (SiO₂), фосфорний ангідрид (Р₂O₅).

Оксиди поділяються на солетворні та несолетворні. Останні не здатні утворювати солей ні з кислотами, ні з лугами, їх зовсім мало (крабон монооксид СО, нітроген монооксид NO, нітроген геміоксид N₂O). Солетворні оксиди поділяються на основні (їх гідрати являються основами), кислотні (їх гідрати являють собою кислоти) та амфотерні (їх гідрати проявляють як кислотні, так і основні властивості).

За сучасною хімічною номенклатурою представники цього класу сполук називаються наступним чином: до слова "оксид" добавляється назва іншого елемента з посиланням на ступінь окиснення, якщо він змінний.

Наприклад: СаО – кальцій оксид, Fe₂O₃ – ферум (III) оксид, Р₂О₅ – фосфор (V) оксид.

До основних оксидів відносяться переважно оксиди лужних та лужноземельних металів з яскраво вираженими металічними властивостями. Характерною рисою основних оксидів являється їх взаємодія з водою, що веде до утворення основ.

ВаО + Н₂O = Ва(ОH)₂

Причому, безпосередньо з водою при звичайній температурі реагують тільки оксиди s-елементів головних підгруп періодичної системи Д.І. Менделєєва (окрім оксидів берилію та магнію).

Основні оксиди взаємодіють з кислотними оксидами та кислотами, утворюючи солі:

СаО + СO₂ = СаСO₃

СuО + 2НСl = СuС1₂ + Н₂O

Кислотні оксиди утворюються неметалами (нітратний ангідрид N₂O₅), сульфатний ангідрид SO₃, хлорний ангідрид Сl₂O₇ та інші), а також металами, що проявляють ступені окиснення +5, +8, +7 (ванадій оксид (V) V₂O₅, хром триоксид СrO₃, марганцевий ангідрид Мn₂O₇, вольфрам триоксид WO₃). Більшість з кислотних оксидів безпосередньо взаємодіють з водою з утворенням відповідних кислот, являючись, таким чином, їх ангідридами:

SO₂ + Н₂О = Н₂SO₃

СrO₃ + Н₂О = Н₂СrO₄

Взаємодіючи з лугами, кислотні оксиди утворюють відповідні солі з виділенням води:

СO₂ + 2NaОН = Na₂СО₃ + Н₂O

Амфотерні оксиди утворюються деякими металами, що проявляють ступені окиснення +3, +4, іноді навіть +2. Так, наприклад, до амфотерних оксидів відносяться оксиди берилію ВеО, цинку ZnО та алюмінію Аl₂O₃, оксид хрому (III) Сr₂O₃, оксиди олова SnО і свинцю РbО (II), манган диоксид МnO₂ та деякі інші. Вони характеризуються реакціями солетворення як з кислотами, так і з основами, тому що в залежності від реагентів, з якими вони взаємодіють, здатні проявляти як основні, так і кислотні властивості.

Так хром (III) оксид реагує з кислотою як основний:

Сr₂O₃ + 6НСl = 2СrСl₃ + 3Н₂O,

а з лугами – як кислотний оксид:

Сr₂O₃ + 2NaОН = 2NaСrO₂ + Н₂O

Якщо елемент здатний утворювати декілька оксидів, наприклад, оксиди хрому (II, III, VI), то в напрямку збільшення ступеня окиснення металу відбувається закономірний перехід від основного, характеру відповідних сполук, що утворюють катіонні комплекси, до кислотних характеристик сполук, які утворюють аніонні комплекси. Так хром (III) оксид має амфотерний характер, хром (VI) оксид є хромовим ангідридом.

Оксиди можна отримати такими способами:

1. Взаємодією простих речовин з киснем:

2Мg + O₂ = 2МgO

2Р + 5O₂ = 2Р₂O₅

2. Термічним розкладом складних речовин:

Сu(ОН)₂ = СuО + Н₂O

СаСO₃ =СаО + СO₂

2Zn(NO₃)₂ = 2ZnО + 4NO₂ + O₂

3. Взаємодією металів з кислотами:

Сu + 4HNO₃ = Сu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2Н₂O

концентрований розчин

3Сu + 8HNO₃ = 3Сu(NO₃)₂ + 2NO + 4Н₂O

розведений розчин

4. В ході інших окисно-відновних реакцій:

СO₂ +С = 2СО

2СО + O₂ = 2СO₂

Основи становлять собою електроліти, які при дисоціації утворюють в якості аніонів тільки гідроксиданіони:

NаОН = Na⁺ + ОН^–

Кислотність основи визначається числом гідроксид-аніонів, які утворюються при дисоціації. Багатокислотні основи дисоціюють ступенево у кілька стадій:

1) Мg(ОН)₂ = (МgОН)⁺ + ОН^–

2) (МgОН)⁺ = Мg²⁺ + ОН^–

За розчинністю у воді основи розрізняються таким чином:

а) луги – це основи, що розчиняються у воді. До них можна віднести гідроксиди лужних та лужноземельних металів, а також талій (І) гідроксид;

б) нерозчинні основи: гідроксиди міді та цинку, хром (III) гідроксид.

Назви основ утворюються із слова "гідроксид" і назви відповідного металу з посиланням на його ступінь окиснення, якщо він змінний. Наприклад, Са(ОН)₂ – кальцій гідроксид.

З точки зору теорії електролітичної дисоціації загальні властивості лугів обумовлені наявністю гідроксид-аніонів.

Водні розчини лугів змінюють забарвлення індикаторів: в їх присутності фіолетовий лакмус синіє, безбарвний фенолфталеїн стає малиновим, метиловий оранжевий – жовтіє.

Луги утворюють з кислотними оксидами солі та воду:

Ва(ОН)₂ + СO₂ = ВаСO₃ + Н₂О

Луги також взаємодіють з кислотами, утворюючи при цьому солі та воду. Це являє собою суть реакції нейтралізації:

NaОН + Н₂SO₄ = NaHSO₄ + Н₂O

2NaОН + Н₂SO₄ = Na₂SO₄ + 2Н₂O

Fe(ОН)₃ + 3НСl = FеСl₃ + 3Н₂O

При дії лугів на розчини солей утворюються нові солі і інші основи:

2KОН + СuSO₄ = Сu(ОН)₂ + К₂SO₄

Са(ОН)₂ + Na₂СO₃ = СаСO₃ + 2NaОН

Як правило, нерозчинні у воді основи розкладаються при нагріванні:

2Fe(ОН)₃ = Fе₂O₃ + 3Н₂O

Сu(ОН)₂ = СuО + Н₂O

Луги можна отримати таким чином:

1. Розчиненням у воді деяких відповідних оксидів:

Са + Н₂O = Са(ОН)₂

2. Взаємодією з водою лужних та лужноземельних металів:

СаО + Н₂O = Са(ОН)₂

Поширеним способом отримання нерозчинних у воді основ є дія лугів на розчинні солі металів, основи яких нерозчинні:

2NаОН + FеSO₄ = Fе(ОН)₂ + Na₂SO₄

Кислоти це електроліти, при дисоціації яких у якості катіонів утворюються тільки катіони гідрогену H⁺ (точніше, іони гідроксонію Н₃O+):

HCl = H⁺ + Cl^–

Основність кислот визначається числом катіонів гідрогену, які утворюються при дисоціації. Багатоосновні кислоти дисоціюють ступенево.

Наприклад:

Н₂СO₃ = Н⁺ + НСО₃^–

НСO₃^– = Н⁺ + СО₃^2–

Кислоти можна віднести до безкисневих (хлоридна, бромидна, синильна, сірководнева) та кисневмісних (азотна, сірчана, фосфорні кислоти).