2. Функциональная классификация сложных неорганических соединений

Традиционно по химическим свойствам среди основных классов не­ор­­га­ни­чес­ких соединений выделяют оксиды, гидроксиды, бес­кис­ло­род­­ные кислоты, соли и галогенан­гид­ри­ды (схема 1.2).

1. Оксиды.

Оксидами называются бинарные соединения элементов с кисло­ро­дом в сте­пе­ни окис­ления –2. Характерной особенностью строения ок­си­дов является на­ли­чие в них толь­ко одного типа химической связи: эле­мент-кислород. В со­от­ветс­т­вии со степенями окисления элемента (Э^+z, z = 1-8) и кислорода О^-2 возможно

Схема 1.2. Основные классы сложных неорганических соединений.

образо­ва­ние оксидов с простейшими формулами: Э₂О, ЭО, Э₂О₃, ЭО₂, Э₂О₅. ЭО₃, Э₂О₇, ЭО₄. Истинные молеку­ляр­ные формулы оксидов соот­вет­с­т­вуют це­лому числу струк­турных единиц, оп­ре­де­ляемых простейшей фор­му­лой. Напри­мер, мо­лекулярная формула ок­си­да фос­фора (V) P₄O₁₀ соответствует его уд­во­ен­ной прос­тей­шей формуле P₂O₅. В гра­­фических формулах оксидов чис­ло хи­ми­ческих связей, об­разуемых каж­дым ато­мом химического элемента, при­нима­ет­ся равным его фор­мальной степени окис­­ления. Каждый атом кис­ло­ро­да мо­жет образовывать две хи­ми­чес­кие связи либо не­пос­ред­ственно с одним атомом эле­мента, либо, выступая в ка­чест­ве «мос­ти­ко­вого ато­ма», по одной свя­зи с двумя атомами элемента. Важно отме­тить, что в оксиды характе­ри­зу­ют­ся нали­чи­ем не более одного мостикового атома кислорода между двумя ато­ма­ми хи­ми­ческих элементов. Это пока­зы­ва­ет, что бинар­ные соединения с кисло­ро­дом, ха­рактеризующиеся наличием двух и более мости­ко­вых атомов кислорода, к ок­си­дам не относятся. Например, как видно из графических формул:

называемые ранее смешанными оксидами: Pb₂O₃ (PbOPbO₂), Pb₃O₄ (2PbOPbO₂) сле­ду­ет рассматривать как соли метасвинцовой (H₂PbO₃) и орто­свин­цовой (H₄PbO₄) кислоты.

Характерной особенностью строения пероксидов является наличие в их сос­таве кислородной группировки из O₂^2- с непос­редст­вен­ной химической связью между дву­мя атомами кис­лорода {-O-O-} – напри­мер, Na₂O, BaO₂. В связи с этим, несмотря на фор­маль­ное подобие мо­ле­ку­­ляр­ных формул ЭО₂, BaO₂ от­носится к пероксидам, а PbO₂ – к оксидам.

Названия оксидов и пероксидов образуют по об­щим для бинарных со­е­дине­ний пра­­вилам: Na₂O оксид натрия, Fe₂O₃ оксид железа (III), BaO₂ пероксид ба­рия, H₂O₂ пероксид водорода. Некоторые оксиды и пероксиды имеют тривиа­ль­ные названия (при­л. 2.), используемые в основном в технической литера­ту­ре.

В зависимости от способности оксидов к образованию солей при реакции с кислотами, кислотными оксидами, или основаниями и основными ок­сидами они разделяются на солеобразующие и несолеобразующие (CO, NO) окси­ды. Со­­ле­об­разующие оксиды разделяются на основные, амфотер­ные и кислотные:

:

Схема 1.3. Классификация солеобразующих оксидов.

Основные оксиды с преимущественно ионным характером химической связи Э-О об­разуют прочные ионные кристаллические решетки с высокими темпера­ту­рами ки­пе­ния и плав­ления. В результате этого при нормальных условиях они существуют в ви­де твер­дых кристаллических веществ. Такие оксиды образуют на­именее электроот­ри­­ца­­тель­ные элементы периодической системы с отно­си­тель­но низкой сте­пенью окис­ления – например, катионы щелочных и щелочно­зе­мельных ме­тал­лов.

Для кислотных оксидов с преимущественно ковалентным характером связи Э-О ха­рактерны менее прочные молекулярные кристаллические решетки с от­но­си­тельно низкими температурами кипения и плавления. Как следствие этого, типичные кис­лот­ные оксиды при нормальных условиях являются газами – CO₂, SO₂, летучими жид­кос­тя­ми, или лекгоплавкими твердыми веществами – (SO₃)₃ (t_кип. = 44,8 ^оС, t_пл. = 16,8 ^оС). Кислотные оксиды образуют электроотри­ца­тель­ные химические элементы с высокой степенью окисления.

Амфотерные оксиды характеризуются ионно-ковалентным характером хи­ми­ческой связи Э-О и в основном образуют полимерные структуры. При нор­маль­ных условиях это твердые вещества. Образованию амфотерных оксидов спо­собствует как проме­жу­точ­ное значение относительной электроотрица­тель­нос­ти химического элемента, так и средние значения его степени окисления. На­пример, увеличение степени окисления хро­ма: Сr²⁺Cr³⁺Cr⁶⁺ приводит к ос­лаблению степени ионности и усилению кова­лен­т­ности связи Cr-O в оксидах и, как следствие этого, к закономерному переходу от основного оксида CrO к амфотерному Cr₂O₃ и кислотному оксиду CrO₃

В соответствии с характером химической связи основные и кислотные ок­си­ды вза­и­модействуют с водой с образованием соответствующих основных и кис­лотных гид­рок­сидов – оснований и оксокислот:

BaO + H₂O = Ba(OH)₂

SO₃ + H₂О = Н₂SO₄ {SO₂(OH)₂)}

Взаимодействие основных оксидов с кислотами, а кислотных оксидов с осно­ва­ни­ями сопровождается образованием соли и воды:

BaO + 2HCl = BaCl₂ + H₂O

SO₃ + 2NaOH = Na₂SO₄ + H₂O

Различный характер химической связи Э-О в кислотных и основных оксидах оп­ре­де­ля­ет взаимодействие их между собой с образование ок­со­со­лей:

BaO + SO₃ = BaSO₄

причем, в соответствии с характером химической связи в результате реакции про­­ис­хо­дит перенос атома кислорода от основного оксида к кислотному с об­ра­зо­ванием катиона и соответствующего оксоаниона соли.

Кислотно-основные свойства амфотерных оксидов выражена значительно сла­бее. С водой большинство амфотерных оксидов практически не взаимо­дейс­т­вуют. Их кис­лот­но-ос­новная двойственность проявляется при взаимо­дейс­т­вии с сильными основа­ни­ями и кислотами, а также с типично основными и кис­лотными оксидами:

ZnO + 2HCl = ZnCl₂ + 2H₂O

ZnO + 2NaOH + H₂O = Na₂[Zn(OH)₄]

ZnO + 2NaOH (сплав) = Na₂ZnO₂ + H₂O

ZnO + SO₃ = ZnSO₄

ZnO + Na₂O (сплав) = Na₂ZnO₂

Следует отметить, что образование оксосолей на основе амфотерных оксидов про­ис­хо­дит только в расплавах. В водных растворах продуктами их взаимо­дейс­твия с ос­но­ваниями являются соли, содержащие в качестве аниона гидрок­со­комплексы.

Упражнения:

25. Приведите систематические и традиционные названия оксидов: K₂O, BeO, Tl₂O₃, CO, CO₂, GeO₂, N₂O, NO₂, N₂O₅, Cr₂O₃, Mn₂O₇.

26. Обосновать какая из приведенных графических формул отвечает оксиду мар­ганца(VII):

27. Приведите молекулярные и графические формулы оксидов: рубидия, маг­ния, алюминия, свинца(IV), мышьяка(V), серы(VI), хлора(VII), осмия(VIII).

28. Приведите графические формулы, отражающие молекулярный состав окси­дов фос­фора(III) P₄O₆ и фосфора(V) P₄O₁₀.

29. На основании структурных формул обоснуйте какие из приведенных би­нар­ных кислородных соединений относятся к оксидам:

30. Приведите реакции, демонстрирующих кислотно-основные свойс­т­­ва окси­дов: Na₂O, Cl₂O₇, CrO, Cr₂O₃, CrO₃.