Классификация веществ. Химические свойства неорганических соединений основных классов. Основные классы неорганических веществ

Классификация веществ. Химические свойства неорганических соединений основных классов. Основные классы неорганических веществ.

В настоящее время известно более 500 тысяч неорганических соединений, знать их формулы, названия, а тем более свойства практически невозможно. Для того чтобы легче ориентироваться в огромном многообразии химических веществ, все вещества разделены на отдельные классы, включающие соединения, сходные по строению и свойствам.

Первоначально все химические вещества делятся на простые и сложные.

Простые вещества подразделяются на металлы и неметаллы.

Помимо типичных металлов и неметаллов есть большая группа веществ, обладающая промежуточными свойствами, их называют металлоидами.

Сложные вещества подразделяются на четыре класса химических соединений: оксиды, основания, кислоты и соли. Эта классификация разработана выдающимися химиками XVIII–XIX веков Антуаном Лораном Лавуазье, Михаилом Васильевичем Ломоносовым, Йёнсом Якобом Берцелиусом, Джоном Дальтоном

При сравнительно небольшом количестве химических элементов (от­крыто 118 элементов, часть из них получена только искусственным путём) существует бесконечное многообразие химических соединений. 
На рис. 1 представлена упрощенная классификация ве­ществ.

Рис. 1. Упрощенная классификация веществ

По составу, свойствам и наличию различных функциональных групп все сложные неорганические и органические вещества делятся на классы. Классификация сложных неорганических соединений представ­лена на рис. 2.

Рис. 2. Классификация основных сложных неорганических соединений

Среди сложных неорганических соединений выделяются следующие основные классы: оксиды, гидроксиды, соли.

Оксиды – это соединения атомов элементов с кислородом. По со­ставу и химическим свойствам оксиды делятся на основные, кислотные и амфотерные.

Основные оксиды – соединения атомов металлов с кислородом (Na2O, CaO, MgO и пр.). Получаются при непосредственном взаимодей­ствии металла с кислородом: 2Na+O2 =2Na2O,либо при термическом разложении солей: CaCO2CaO + CO2.

Основные оксиды взаимодействуют с кислотами и кислотными окси­дами, образуя соли:

1)  CaO + H2SO4 = CaSO4 + H2O

CaO + 2H+ + SO42- = Ca2+ + SO42- + H2O

CaO + 2H+  = Ca2+ + H2O,

2)  СaO + CO2 = CaCO3.

При взаимодействии некоторых растворимых основных оксидов с во­дой образуются основания (щелочи):

K2O + H2O = KOH

K2O + H2O = K+ + OH-.

Кислотные оксиды – соединения атомов неметаллов или некоторых металлов в высшей степени окисления (V+5, Mn+7, Cr+6 и др.) с кислоро­дом. Образуются при взаимодействии атомов элементов непосредст­венно с кислородом: S + O2 = SO2, при разложении некоторых кислот: H2CO3  CO2 + H2O, либо в ходе окислительно-восстановительных реак­ций: 2SO2 + O2 = 2SO3.

Кислотные оксиды взаимодействуют с растворимыми основаниями и основными оксидами с образованием солей:

1) SO2 + 2KOH = K2SO3 + H2O

SO2 + 2K+ + 2OH- = 2K+ + SO32- + H2O

SO2 + 2OH- = SO32- + H2O,

2) SiO2 + CaO CaSiO3,

3) Mn2O7 + 2NaOH = 2NaMnO4 + H2O

Mn2O7 + 2Na+ + 2OH- = 2Na+ + 2MnO4- + H2O

Mn2O7 + 2OH- = 2MnO4- + H2O.

При взаимодействии некоторых кислотных оксидов с водой образуются кислоты:

SO3 + H2O = H2SO4

SO3 + H2O = 2H+ + SO42-.

Амфотерные оксиды – соединения атомов амфотерных элементов с кислородом (Al2O3, ZnO, BeO, Cr2O3, PbO2 и др.). Образуются при непо­средственном окислении атомов элементов кислородом или косвенным путем, проявляют свойства как основных, так и кислотных оксидов:

1) ZnO + H2SO4 = ZnSO4 + H2O

ZnO + 2H+ + SO42- = Zn2+ + SO42- + H2O

ZnO + 2H+ = Zn2+ + H2O,

2) ZnO + 2NaOH Na2ZnO2 + H2O

ZnO + 2Na+ + 2OH- = 2Na+ + ZnO22- + H2O

ZnO + 2OH- = ZnO22- + H2O.

Гидроксиды – это продукты прямого взаимодействия оксидов с во­дой, либо косвенных процессов. Они делятся на кислотные, основные и амфотерные.

Кислоты  – вещества, диссоциирующие в растворах с образованием ионов водорода (т. е. доноры протонов). По составу молекул кислоты делятся на бескислородные (HCl, H2S, HJ и др.) и кислородсодержащие (HNO3, H2SO4, H3PO4 и др.) (см. названия основных неорганических ки­слот и их солей в табл. 1 приложения). По количеству катионов водо­рода в молекуле кислоты бывают одно- (HNO3, HCl, HJ) и многооснов­ные (H2SO4, H3PO4, H2S). По характеру диссоциации на ионы в растворе кислоты делятся на сильные (HNO3, H2SO4, HCl) и слабые (H3PO4, H2CO3), (см. величины констант диссоциации сильных и слабых элек­тролитов в табл. 2 приложения). При записи ионно-молекулярных урав­нений реакций в растворах слабые кислоты на ионы не расписываются.

Характерными химическими свойствами кислот является способность реагировать с основными оксидами, основаниями, амфотерными оксидами и гидроксидами и солями с образованием солей, как одного из продуктов реакции:

1) 2HCl + CaO = CaCl2 + H2O

2H+ + 2Cl- + CaO = Ca2+ + 2Cl- + H2O

2H+ + CaO = Ca2++ H2O,

2) 2HNO3 + Cu(OH)2 = Cu(NO3)2 + 2H2O

2H+ + 2NO3- + Cu(OH)2 = Cu2+ + 2NO3- + 2H2O

2H+ + Cu(OH)2 = Cu2+ + 2H2O,

3) H2SO4 + BaCl2 = BaSO4↓+ 2HCl

2H+ + SO42+ + Ba2+ + 2Cl- = BaSO4↓+ 2H+ + 2Cl-

SO42+ + Ba2+ = BaSO4↓.

Растворы кислот реагируют с активными металлами (Mg, Zn, Al, Ca и пр.) с образованием солей и выделением газообразного водорода:

H2SO4 + Mg = MgSO4 + H2↑

2H+ + SO42- + Mg0 = Mg2+ + SO42- + H20↑

2H+ + Mg0 = Mg2++ H20↑.

Иначе ведет себя азотная кислота (HNO3). Наличие в ней активного окислителя (N5+) позволяет реагировать даже с малоактивными метал­лами (Cu, Ag и др.), однако водород при этом не выделяется:

4HNO3 + Cu = Cu(NO3)2 +2NO2 + 2H2O.

Более подробно о реакциях кислот различной концентрации и со­става с металлами см. в основной учебной литературе.

Основания – вещества, диссоциирующие в растворах с образование гидроксид-ионов. По числу гидроксид-ионов в молекуле основания делятся на одно- (NaOH, AgOH) и многокислотные (Ca(OH)2, Fe(OH)3). Большинство оснований нерастворимо в воде. Растворимыми являются основания, образован­ные щелочными и щелочноземельными металлами (NaOH, KOH, Ca(OH)2, Ba(OH)2  и др.).

Основания реагируют с кислотами, кислотными и амфотерными ок­сидами, солями:

1)   Ba(OH)2 + H2SO4 = BaSO4↓+ 2H2O

Ba2+ + 2OH- + 2H+ + SO42- = BaSO4↓+ 2H2O,

2)   Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3↓ + H2O

Ca2+ + 2OH- + CO2 = CaCO3↓ + H2O,

3)   2NaOH + BeO + H2O = Na2[Be(OH)4]

2Na+ + 2OH- + BeO + H2O = 2Na+ + [Be(OH)4]2-

2OH- + BeO + H2O = [Be(OH)4]2-,

4)   2KOH + CuSO4 = Cu(OH)2↓ + K2SO4

2K+ + 2OH-  + Cu2+ + SO42- = Cu(OH)2↓ + 2K+ + SO42-

2OH-  + Cu2+ = Cu(OH)2↓.

Некоторые гидроксиды обладают не только основными, но и кислот­ными свойствами, их называютамфотерными. К ним относятся гидро­ксиды амфотерных металлов: Zn(OH)2, Be(OH)2, Al(OH)3, Pb(OH)2, Sn(OH)2, Cr(OH)3 и др. Например:

1)   Zn(OH)2 + 2KOH = K2[Zn(OH)4]

Zn(OH)2 + 2K+ + 2OH- = 2K+ + [Zn(OH)4]2-

Zn(OH)2 + 2OH- = [Zn(OH)4]2-,

2) Zn(OH)2 + 2HCl = ZnCl2 + 2H2O

Zn(OH)2 + 2H+ + 2Cl- = Zn2+ + 2Cl- + 2H2O

Zn(OH)2 + 2H+ = Zn2+ + 2H2O.

Соли – продукты полного или частичного замещения ионов водорода в молекуле кислоты ионами металлов или продукты полного или частич­ного замещения гидроксид-ионов в молекуле основания кислотными ос­татками.

При полном замещении ионов водорода в молекуле кислоты на ионы металлов образуются средние (нормальные) соли:

H2SO4 + 2NaOH = Na2SO4 + 2H2O

2H+ + SO42- + 2Na+ + 2OH- = 2Na+ + SO42- + 2H2O

2H+ + 2OH- = 2H2O.

Na2SO4 – сульфат натрия (средняя соль).

Кислые соли (гидросоли) образуются при неполном замещении 
ио­нов водорода в молекуле кислоты на ионы металлов. Это наблюдается при взаимодействии многоосновных кислот с основаниями в тех слу­чаях, когда количество взятого основания недостаточно для образова­ния средней соли:

H2CO3 + KOH = KHCO3 + H2O

недостаток

H2CO3 + K+ + OH- = K+ + HCO3-  + H2O

H2CO3 + OH- = HCO3-  + H2O.

KHCO3 – гидрокарбонат калия (кислая соль).

Основные соли (гидроксосоли) образуются при частичном замеще­нии гидроксид-ионов в молекуле основания кислотными остатками. 
Ос­новные соли могут быть образованы только многокислотными основа­ниями в тех случаях, когда количества кислоты недостаточно для по­лучения средней соли:

Cu(OH)2 + HNO3 = CuOH(NO3) + H2O

недостаток

Cu(OH)2 + H+ + NO3- = CuOH+ + NO3- + H2O

Cu(OH)2 + H+ = CuOH+ + H2O.

CuOH(NO3) –нитрат гидроксомеди (II) (основная соль).

Соли вступают в химические реакции с кислотами, растворимыми основаниями и другими солями. Обязательным условием последнего процесса является растворимость обеих солей в воде (см. табл. 3приложения).

Примеры:

1) BaCl2 + H2SO4 = BaSO4↓+ 2HCl

Ba2+ + 2Cl- + 2H+ + SO42+ = BaSO4↓+ 2H+ + 2Cl-

Ba2+ + SO42+ = BaSO4↓,

2) CuSO4 + 2KOH = Cu(OH)2↓ + K2SO4

Cu2+ + SO42- +2K+ + 2OH- = Cu(OH)2↓ + 2K+ + SO42-

Cu2+ + 2OH- = Cu(OH)2↓,

3) NaCl + AgNO3 = AgCl↓ + NaNO3

Na+ + Cl- + Ag+ + NO3- = AgCl↓ + Na+ NO3-

Cl- + Ag+ = AgCl↓.