книги / Химия. Классы неорганических соединений

Составители: Т.С. Соколова, Г.А. Старкова

УДК 541.1 Х46

Рецензент

канд. хим. наук, доцент Л.С. Пан (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Химия. Классы неорганических соединений : метод. укаХ46 зания / сост. Т.С. Соколова, Г.А. Старкова. – Пермь : Изд-во

Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2018. – 31 с.

Рассмотрены важнейшие классы неорганических соединений: их состав, номенклатура, химические свойства. Приведены типовые задания для самостоятельной работы и примеры их решений.

Предназначено для самостоятельной работы студентов нехимических направлений, изучающих дисциплину «Химия».

УДК 541.1

© ПНИПУ, 2018

2

3

1. СТЕПЕНЬ ОКИСЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ

Неорганические соединения являются сложными веществами и состоят из атомов различных элементов. Для каждого соединения существует своя химическая формула, представляющая набор символов элементов с численными индексами. Различают химические (молекулярные) и графические формулы. Химическая формула отражает качественный и количественный состав соединения, а в графической формуле с помощью валентных штрихов указывается последовательность соединения атомов и число химических связей между атомами. На рис. 1 приведены примеры формул оксида углерода (IV) и серной кислоты.

СО2 О=С=О

Н2SО4

аб

Рис. 1. Формулы: а – химическая; б – графическая

Составление химических формул соединений основано на использовании понятия степени окисления элемента.

При образовании химических связей между атомами, как правило, происходит смещение общей пары электронов к одному из атомов. Поскольку электрон является заряженной частицей, то смещение электронов приводит к появлению зарядов на атомах. Атом, к которому смещена общая электронная пара, приобретает отрицательный заряд; другой атом, от которого оттянута общая электронная пара, приобретает положительный заряд. При значительном смещении общей пары электронов к одному из атомов происходит практически полная передача электронов и образование ионов.

Реальные заряды ионов могут иметь дробные значения. Однако в большинстве случаев для удобства расчетов принято приписывать

4

атомам условный целочисленный заряд, который называют степенью окисления. Степень окисления записывают над элементом, обозначают арабской цифрой и перед ней указывают знак заряда. Так, в молекуле аммиака NH3 степени окисления водорода +1 и азота –3 записываются в следующем виде:

–3 +1

NH3.

Большинство элементов периодической системы проявляют в соединениях переменные степени окисления, которые можно определить по следующим правилам:

1. Степень окисления элементов в простом веществе равна нулю:

00

Cl2, Zn.

2. В соединениях степень окисления фтора равна –1, кислорода –2 (кроме –1Fe+22O), водорода +1 (кроме гидридов металлов,

+1 –1

например NaH).

3.Степени окисления щелочных (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) и щелоч- но-земельных (Ca, Sr, Ba, Ra) элементов в соединениях равны +1

и+2 соответственно.

4.В бинарных ионных соединениях степень окисления элементов совпадает с зарядом ионов:

+1 –1 +4 –1

NaBr, TiCl4.

5. В ковалентных соединениях степень окисления определяется числом общих электронных пар, которые атом элемента образует с атомами других элементов. Отрицательный заряд приписывают атому, к которому смещена общая электронная пара, а положительный заряд – атому, от которого оттянута общая электронная пара, например:

+1 –2 +3 –1

H2S, BF3.

6. В химическом соединении выполняется условие электронейтральности молекулы: алгебраическая сумма степеней окисления

5

2.1. Оксиды

Оксиды – химические соединения, образованные из атомов двух элементов, одним из которых является кислород.

По химическим свойствам оксиды могут быть солеобразующие

инесолеобразующие. Несолеобразующие оксиды в химических ре-

акциях солей не образуют, например NO, N2O, CO. Солеобразующие оксиды, в свою очередь, делят на три группы: кислотные, основные

иамфотерные.

Кислотным оксидам соответствуют кислоты. Кислотные оксиды образуют неметаллы, а также некоторые металлы в высшей степени окисления. Кислотными оксидами являются B2O3, CO2, SiO2,

N2O3, N2O5, P2O3, P2O5, As2O5, SO2, SO3, SeO3, CrO3, Cl2O7, I2O7, Mn2O7 и другие.

Большинство кислотных оксидов взаимодействуют с водой с образованием кислот, например:

P2O5 + 3H2O = 2H3PO4.

При взаимодействии кислотных оксидов с основными гидроксидами образуются соль и вода:

SO2 + 2NaOH = Na2SO3 + H2O.

Основным оксидам соответствуют основания. Основные оксиды образуют щелочные и щелочно-земельные металлы, а также некоторые другие металлы, как правило, с низшими степенями окисления. Основными оксидами являются Li2O, Cs2O, CaO, BaO, Cu2O, MgO, FeO, CoO, NiO, MnO, VO, V2O3, Bi2O3.

Оксиды щелочных и щелочно-земельных металлов взаимодействуют с водой с образованием растворимых в воде гидроксидов, то есть щелочей, например:

Na2O + H2O = 2NaOH.

Оксиды других металлов в воде не растворяются.

Основные оксиды взаимодействуют с кислотами, образуя соль и воду:

7

MgO + H2SO4 = MgSO4 + H2O.

Кислотные и основные оксиды взаимодействуют между собой с образованием солей:

MgO + SO2 = MgSO3.

Амфотерным оксидам соответствуют амфотерные гидроксиды. Амфотерные оксиды, как правило, образуют металлы с промежуточными степенями окисления. Амфотерными оксидами являются

BeO, ZnO, SnO, PbO, Al2O3, Ga2O3, In2O3, Sb2O3, Cr2O3, GeO2, SnO2, PbO2, TiO2, ZrO2, MnO2.

В химических реакциях амфотерные оксиды проявляют свойства и кислотных, и основных оксидов. Амфотерные оксиды взаимодействуют с кислотой и щелочью, образуя соль и воду. Так, в расплаве щелочи оксид цинка образует цинкат натрия:

ZnO + 2NaOH = Na2ZnO2 + H2O,

а в растворе серной кислоты образуется сульфат цинка: ZnO + H2SO4 = ZnSO4 + H2O.

Получение оксидов

Оксиды получают непосредственным окислением простых веществ:

4Na+ O2 = 2Na2O,

или разложением солей, гидроксидов, иногда кислот при их нагревании:

CaCO3 = CaO + CO2,

2Fe(OH)3 = Fe2O3 + 3H2O,

H2SiO3 = SiO2 + H2O.

Номенклатура оксидов

При составлении названия оксидов к слову «оксид» добавляют название элемента в родительном падеже. Если элемент имеет не-

8

сколько степеней окисления, то в скобках римской цифрой указывают степень окисления элемента, например: ZnO – оксид цинка, SO3 – оксид серы (VI), Mn2O7 – оксид марганца (VII).

Составление формул оксидов

Формулы оксидов составляют по их названию из условия электронейтральности молекулы: алгебраическая сумма степеней окисления атомов в молекуле (с учетом количества атомов) равна нулю.

В качестве примера составим формулу оксида алюминия. Алюминий находится в IIIА группе периодической системы и имеет постоянную степень окисления +3. Степень окисления кислорода равна –2. Положительный заряд двух атомов алюминия ((+3) 2 = +6) можно компенсировать отрицательным зарядом трех атомов кислорода ((–2) 3 = –6). Таким образом, формула оксида алюминия будет

Al2O3.

2.2. Основания

Основания – химические соединения, молекулы которых состоят из ионов металла и гидроксид-ионов. Количество гидроксидионов в основании обычно не превышает четырех, например, в гидроксиде титана (IV) Ti(OH)4 их четыре. Основания также называют гидроксидами.

Гидроксиды, растворимые в воде, называют щелочами. Щелочи образуют щелочные и щелочно-земельные металлы.

Щелочи взаимодействуют с солями с образованием малорастворимых соединений, например:

Ca(OH)2 + Na2CO3 = CaCO3↓ + 2NaOH,

6NaOH + Fe2(SO4)3 = 2Fe(OH)3↓ + 3Na2SO4.

По химическим свойствам гидроксиды бывают основные и амфотерные. Основные гидроксиды взаимодействуют с кислотными оксидами:

9

Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3↓ + H2O,

и с кислотами:

Ca(OH)2 + 2HCl = CaCl2 + 2H2O.

Амфотерные гидроксиды аналогично основным взаимодействуют с кислотными оксидами и с кислотами. Кроме того, они растворяются в избытке щелочей с образованием солей. Так, в расплаве амфотерный гидроксид цинка образует цинкат натрия:

Zn(OH)2 + 2NaOH = Na2ZnO2 + 2H2O,

а в растворе – комплексное соединение тетрагидроксоцинкат натрия: Zn(OH)2 + 2NaOH = Na2Zn(OH)4.

Получение оснований

Щелочи получают растворением в воде металлов и их оксидов: Ca + 2H2O = Ca(OH)2 + H2,

CaO + H2O = Ca(OH)2.

Малорастворимые в воде гидроксиды получают по реакциям обмена, например:

CuSO4 + 2NaOH = Cu(OH)2↓ + Na2SO4.

Здесь образование гидроксида происходит в результате обмена ионами в растворе, как это показывают ионные уравнения (полное и сокращенное):

Cu2+ + SO42– + 2Na+ + 2OH– = Cu(OH)2↓ + 2Na+ + SO42– Cu2+ +2OH– = Cu(OH)2↓.

При этом гидроксиды выпадают в осадок.

Номенклатура оснований

При составлении названия к слову «гидроксид» добавляют название элемента в родительном падеже. Если элемент имеет не-

10