1. Важнейшие классы неорганических соединений (оксиды, гидроксиды, соли)
В настоящее время известно около 300 тыс. неорганических соединений. Их можно разделить на три важнейших класса: оксиды, гидроксиды и соли.
Сложные неорганические соединения
оксиды
соли
несолеобразующие
гидроксиды
средние
солеобразующие
основные
(основания)
кислые
основные
амфотерные кислотные
основные
(кислоты)
кислотные
амфотерные
(амфолиты)
Оксиды – сложные вещества, молекулы которых состоят из атомов кислорода и какого-нибудь другого элемента. Например, К2О, FeO, Cr2O3, SiO2, P2O5.
Оксиды делятся на солеобразующие и несолеобразующие. Последних довольно мало (CO, NO, N2O), они не образуют солей ни с кислотами, ни со щелочами. Солеобразующие оксиды делятся на основные (их гидраты – основания) кислотные (их гидраты кислоты), амфотерные (их гидраты проявляют свойства, как кислот, так и оснований).
По современной номенклатуре названия этого класса строятся следующим образом: к слову оксид добавляется название элемента с указанием его степени окисления, если она не постоянна. Например, CaO – оксид кальция, Fe2O3 - оксид железа (III), P2O5 – оксид фосфора (V).
К основным оксидам относятся оксиды щелочных и щелочно-земельных металлов, а также многие оксиды других металлов со степенью окисления +1, +2. Они взаимодействуют с водой с образованием оснований:
BaO + H2O = Ba(OH)2.
Непосредственно с водой при обычной температуре реагируют только оксиды металлов I и II групп главных подгрупп (кроме BeO и MgO) периодической системы Д. И. Менделеева.
Основные оксиды взаимодействуют с кислотными оксидами и кислотами, образуя соли:
CaO + CO2 = CaCO3;
CuO + 2 HCl = CuCl2 + H2O.
Кислотные оксиды образуют неметаллы (Cl2O, B2O3, CO2, N2O5, SO3, Cl2O7 и др.), а также металлы со степенью окисления +5, +6, +7 (V2O5, CrO3, Mn2O7, WO3).
Многие кислотные оксиды непосредственно взаимодействуют с водой, образуя кислоты:
SO2 + H2O = H2SO3;
CrO3 + H2O = H2CrO4.
С щёлочами кислотные оксиды образуют соль и воду:
N2O5 + 2 NaOH = 2 NaNO3 + H2O.
Амфотерные оксиды образуют металлы, имеющие степени окисления +3, +4, иногда +2. К амфотерным оксидам относятся, например, BeO, ZnO, Al2O3, Cr2O3, SnO, PbO, MnO2 и др. Они характеризуются реакциями солеобразования и с кислотами, и с основаниями, так как в зависимости от условий проявляют как основные, так и кислотные свойства.
Например, как основный оксид Cr2O3 реагирует с кислотой:
Cr2O3 + 6 HCl = 2 CrCl3 + 3 H2O,
как кислотный – с щёлочью:
Cr2O3 + 2 NaOH = 2 NaCrO2 + H2O.
+2 +3 +6
Если элемент образует несколько оксидов, например, CrO, Cr2O3, CrO3, то по мере увеличения его степени окисления усиливается кислотный характер оксида. Так, CrO – основный, Cr2O3 - амфотерный, а CrO3 – кислотный оксид.
Оксиды можно получить следующими способами.
-
При взаимодействии простых веществ с кислородом:
2 Mg + O2 = 2 MgO;
4 P + 5 O2 = 2 P2O5.
2. Разложением сложных веществ:
t
Cu(OH)2 = CuO + H2O;
t
CaCO3 = CaO + CO2;
t
2 Zn(NO3)2 = 2 ZnO + 4 NO2 + O2.
Гидроксиды продукты соединения оксидов с водой. Они бывают трех видов: основные (основания), кислотные (кислоты) и амфотерные (амфолиты).
Основания – электролиты, которые при диссоциации в качестве анионов образуют только гидроксид-ионы:
NaOH = Na+ + OH.
Кислотность основания определяется числом ионов OH- , образующихся при диссоциации. Многокислотные основания диссоциируют ступенчато:
Mg(OH)2 ⇄ (MgOH)+ + OH,
(MgOH)+ ⇄ Mg2+ + OH.
По растворимости в воде различают два вида основания:
а) основания, растворимые в воде, щёлочи. К ним относятся LiOH, NaOH, KOH, RbOH, CsOH, Ca(OH)2, Sr(OH)2, Ba(OH)2, а также TlOH;
б) основания, нерастворимые в воде, например Cu(OH)2, Fe(OH)3, Cr(OH)3 и др.
Названия оснований образуются из слова гидроксид и названия соответствующего металла с указанием его степени окисления, если она переменна. Например, Ca(OH)2 гидроксид кальция, Fe(OH)2 – гидроксид железа (II), Fe(OH)3 – гидроксид железа (III).
Водные растворы щелочей изменяют окраску индикаторов. В их присутствии фиолетовый лакмус синеет, бесцветный фенолфталеин становится малиновым, метиловый оранжевый – желтым.
Щёлочи образуют с кислотными оксидами соль и воду:
Ba(OH)2 + CO2 = BaCO3 + H2O.
Щёлочи взаимодействуют с кислотами с образованием соли и воды (реакция нейтрализации):
2 NaOH + H2SO4 = Na2SO4 + 2 H2O.
При действии щёлочей на растворы солей получаются новые соль и основание, при этом одно из полученных веществ должно выпадать в осадок:
2 KOH + CuSO4 = Cu(OH)2↓ + K2SO4;
Ca(OH)2 + Na2CO3 = CaCO3↓ + 2 NaOH.
С точки зрения электролитической диссоциации общие свойства щёлочей обусловлены гидроксид-ионами OH.
Нерастворимые в воде основания, так же как и щелочи, взаимодействуют с кислотами:
Fe(OH)3 + 3 HCl = FeCl3 + 3 H2O
и разлагаются при нагревании:
t
2 Fe(OH)3 = Fe2O3 + 3 H2O.
Получить щёлочи можно растворением в воде соответствующих оксидов:
CaO + H2O = Ca(OH)2
или разложением воды очень активными металлами (K, Na, Ca, Ba):
2 Na + 2 HOH = 2 NaOH + H2.
Общий способ получения нерастворимых в воде оснований – действие щёлочей на растворимые соли металлов, основания которых нерастворимы:
2 NaOH + FeSO4 = Fe(OH)2↓ + Na2SO4.
Кислоты – электролиты, при диссоциации которых в качестве катионов образуются только катионы водорода Н+ (точнее ионы гидроксония Н3О+):
HCl = H+ + Cl.
Основность кислоты определяется числом катионов водорода, которые образуются при диссоциации. Многоосновные кислоты диссоциируют ступенчато. Например:
H2CO3 ⇄ H+ + НCО3,
НCО3 ⇄ H+ + CО32.
Кислоты можно разделить на бескислородные (HCl, HBr, HCN, H2S) и кислородсодержащие (HNO3, H2SO4, H3PO4).
Названия кислородсодержащих кислот, в которых степень окисления кислотообразующего элемента (центрального атома) равна номеру группы в периодической системе элементов Д.И. Менделеева (высшая степень окисления), образуются от названия элемента с добавлением суффикса –н (-ов или -ев) и окончания –ая. Например, HNO3 - азот-н-ая кислота, H3AsO4 - мышьяк-о-ов-ая кислота, H2SiO3 - кремни-ев-ая кислота. При меньшей степени окисления центрального атома названия кислот образуются с суффиксом –ист. Например, HNO2 - азот-ист-ая кислота, H2SO3 - серн-ист-ая кислота.
В названиях бескислородных кислот к наименованию элемента добавляют слово водородная. Например, HCl - хлороводородная, H2S - сероводородная.
В растворах кислот индикаторы меняют свою окраску: лакмус становится красным, метиловый оранжевый – розовым.
Кислоты взаимодействуют с металлами, стоящими левее водорода в ряду стандартных электродных потенциалов, образуя соль и водород:
2 Al + 3 H2SO4 = Al2(SO4)3 + 3 H2↑.
Водород не выделяется при взаимодействии металлов с концентрированными азотной и серной кислотами.
Кислоты реагируют с основаниями и основными оксидами:
H2SO4 + Mg(OH)2 = MgSO4 + 2 H2O,
2 HNO3 + CaO = Ca(NO3)2 + H2O.
При взаимодействии кислот с солями могут образовываться новые соль и кислота:
CO2
2
HCl + CaCO3
= CaCl2
+ H2CO3
H2O,
H2SO4 + BaCl2 = BaSO4↓ + 2 HCl.
С точки зрения электролитической диссоциации общие свойства кислот обусловлены ионами водорода Н+. Кислоты получают следующими способами:
1) гидратацией кислотных оксидов
P2O5 + 3 H2O = 2 H2PO4;
2) обменной реакцией соли с кислотой
Ca3(PO4)2 + 3 H2SO4 = 3 CaSO4 + 2 H3PO4.
Амфолиты – это гидроксиды, которые проявляют как основные, так и кислотные свойства. К ним относятся, например, Cr(OH)3, Zn(OH)2, Be(OH)2, Al(OH)3 и др.
Амфотерные гидроксиды способны реагировать как с кислотами, так и с щёлочами. С кислотами они реагируют как основания, а с щёлочами – как кислоты. Чтобы установить амфотерность гидроксида, следует провести две реакции взаимодействия его с кислотой и со щелочью. Если обе реакции имеют место, то гидроксид амфотерен. Например,
Cr(OH)3 + 3 HCl = CrCl3 + 3 H2O;
Cr(OH)3 + 3 NaOH = Na3[Cr(OH)6].
Соли – электролиты, при диссоциации которых образуются катионы металлов (или ионы аммония NH4+), анионы кислотных остатков. Соли делятся на средние, кислые, основные.
Средние соли можно рассматривать как продукты полного замещения атомов водорода в кислоте атомами металла или как продукты полного замещения гидроксогрупп основания кислотными остатками. Например, Na2CO3, K2SO4, Ca3(PO4)2. Уравнения диссоциации средних солей можно записать так:
K3PO4 = 3 K+ + PO43,
NH4Cl = NH4+ + Cl.
Кислые соли (гидросоли) – продукты неполного замещения атомов водорода многоосновных кислот атомами металла. Их образуют только многоосновные кислоты. Например, NaHCO3 Ca(H2PO4)2, KHSO3.