Основные классы неорганических соединений

2.1 Введение

Основными классами неорганических соединений являются оксиды, кис­лоты, основания и соли.

Оксиды – это бинарные соединения, т.е. соединения, состоящие из двух элементов, одним из которых является кислород в степени окисления минус 2.

Кислоты – это соединения, молекулы которых состоят из атомов водорода, способных замещаться на металл, и кислотного остатка и диссоциирующие в водных растворах с отщеплением ионов водорода H⁺.

Основания – это соединения, состоящие из атомов (ионов) металла и гидроксогрупп OH и диссоциирующие в водных растворах на катионы металла и гидроксид-ионы OH^–.

Соли – это соединения, состоящие из катионов металла (аммония и др.) и анионов кислотного остатка и диссоциирующие в водных растворах на эти катионы и анионы.

2.2 Оксиды

Оксиды делятся на две большие группы: солеобразующие и несолеобразующие. Большинство оксидов – солеобразующие, т.к. при определённых условиях они могут вступать в химические реакции с образованием солей. Солеобразующие оксиды в свою очередь подразделяются на кислотные, основные и амфотерные.

Основным классифицирующим признаком кислотного или основного оксида, является соединение, соответствующее гидратации оксида.

Кислотным оксидам соответствует кислота, которая получается либо непосредственным взаимодействием оксида с водой, либо косвенным путём. Кислотные оксиды образуют все неметаллы, а также металлы в степени окисления +4 и выше. Примеры кислотных оксидов: B₂O₃, CO₂, N₂O₃, N₂O₅, P₂O₅, SO₃, Cl₂O₇, V₂O₅, CrO₃, Mn₂O₇ . Многие (но не все) кислотные оксиды хорошо растворяются в воде с образованием кислот:

SO₃ + H₂O  H₂SO₄; Mn₂O₇ + H₂O  2 HMnO₄;

P₂O₅ + 3 H₂O  2 H₃PO₄; B₂O₃ + H₂O  2 HBO₂.

Кислотные оксиды, которые при взаимодействии с водой образуют кислоты, часто называют ангидридами этих кислот. Например, SO₃ является ангидридом серной кислоты. Ангидриды можно получать дегидратацией (отщепление воды) соответствующих кислот путём нагревания или действием сильных поглотителей воды, например P₂O₅:

t

2 H₃BO₃ B₂O₃ + 3 H₂O ;

P₂O₅

2 HClO₄ Cl₂O₇ + H₂O .

Некоторые кислотные оксиды являются смешанными ангидридами двух кислот. Например, NO₂ является смешанным ангидридом азотной и азотистой кислот: 2 NO₂ + H₂O  HNO₃ + HNO₂ .

Одним из наиболее важных свойств кислотных оксидов является их способность взаимодействовать с сильными основаниями (щелочами) с образованием соли соответствующей кислоты и воды:

CO₂ + 2 NaOH  Na₂CO₃ + H₂O; SO₃ + 2 NaOH  Na₂SO₄ + H₂O.

К

сплавление

ислотные оксиды также способны взаимодействовать с основными оксидами с образованием соли:

C aO + SiO₂ CaSiO₃;

CaO + CO₂  CaCO₃; Na₂O + SO₃  Na₂SO₄ .

Если какой-нибудь кислотный оксид, например SiO₂, не взаимодействует с водой, то соответствующая ему кислота может быть получена косвенным путём, по схеме кислотный оксид  соль  кислота:

SiO₂ + 2 NaOH  Na₂SiO₃ + H₂O; Na₂SiO₃ + 2 HCl  H₂SiO₃ + NaCl .

Основным оксидам соответствуют основания. К основным оксидам относятся все оксиды, образованные щелочными и щелочноземельными металлами, а также некоторые оксиды, образованные другими металлами в степени окисления не выше +3. Примеры основных оксидов: Na₂O, CaO, MgO, BaO, NiO, FeO, La₂O₃, MnO и др.

Оксиды щелочных и щелочноземельных металлов непосредственно реагируют с водой, с образованием оснований:

Na₂O + H₂O  2 NaOH; CaO + H₂O  Ca(OH)₂ .

Одним из наиболее важных свойств основных оксидов является их способность реагировать с кислотами с образованием соли и воды:

CaO + 2 HCl  CaCl₂ + H₂O; CuO + H₂SO₄  CuSO₄ + H₂O.

Как уже было показано выше, основные оксиды реагируют с кислотными с образованием соли.

Если основной оксид непосредственно не взаимодействуют с водой, то соответствующее ему основание, можно получить косвенным путём по схеме

основной оксид  соль  основание:

FeO + H₂SO₄  FeSO₄ + H₂O; FeSO₄ + 2 KOH  Fe(OH)₂ + K₂SO₄ .

Амфотерные оксиды – это оксиды, которые могут проявлять свойства как кислотных, так и основных оксидов. Примеры амфотерных оксидов: BeO, ZnO, Al₂O₃, Cr₂O₃, GeO₂, Sb₂O₃, SnO, SnO₂, PbO, PbO₂, Ga₂O₃, In₂O₃, MnO₂, Fe₂O₃.

Амфотерные оксиды способны реагировать и с кислотами (как основные оксиды), и со щелочами (как кислотные оксиды):

Cr₂O₃ + 6 HCl  2 CrCl₃ + 3 H₂O; Cr₂O₃ + 2 NaOH  2 NaCrO₂ + H₂O.

Чем более металличен элемент, тем более основные свойства характерны для его оксидов и гидроксидов, и, напротив, чем более неметалличен элемент, тем более кислотными свойствами обладают его оксиды и гидроксиды. В главных подгруппах с увеличением порядкового номера элемента усиливаются металлические свойства, поэтому для элементов главных подгрупп наблюдается усиление основных свойств их оксидов и гидроксидов при движении по подгруппе сверху вниз. Так, BeO – амфотерный оксид, CaO – основной; P₂O₃ – кислотный оксид, Bi₂O₃ – основной.

В побочных подгруппах закономерность чаще обратная: сверху вниз металлические свойства элементов, основные свойства оксидов и гидроксидов ослабевают: например, CrO должен обладать более основными свойствами, чем WO.

В периодах слева направо с уменьшением металличности элементов ослабевают их основные и усиливаются кислотные свойства оксидов и гидроксидов: MgO – основной оксид, Al₂O₃ – амфотерный, P₂O₃ – кислотный.

Кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов зависят также от степени окисления элемента: с увеличением степени окисления ослабевают основные и усиливаются кислотные свойства: CrO – основной оксид, Cr₂O₃ – амфотерный, CrO₃ – кислотный.

Класс несолеобразующих оксидов немногочислен. К нему относят оксиды, которые при обычных условиях не взаимодействуют ни с водой, ни с кислотами, ни со щелочами, а также не взаимодействуют друг с другом с образованием соли. Примеры несолеобразующих оксидов: NO, N₂O, CO.

В настоящее время за основу номенклатуры неорганических соединений принята номенклатура, разработанная Международным Союзом по теоретической и прикладной химии (IUPAC).

Названия оксидов образуются из слова «оксид» и названия элемента в родительном падеже. Если элемент образует несколько оксидов, то в их названиях указывается валентность элемента: FeO – оксид железа (II), Fe₂O₃ – оксид железа (III), H₂O – оксид водорода.

Рассмотренные выше формулы оксидов носят название брутто-формул; они показывают, какие элементы и в каком соотношении входят в состав соединения. Графические формулы показывают состав, последовательность присоединения атомов, а также кратность возникающей связи. При записи графической формулы следует учитывать, что если в состав молекулы оксида входит не один, а несколько атомов данного элемента, то они должны быть соединены через атомы кислорода.

С уществуют вещества – соединения элементов с кислородом, – которые, относясь по составу к классу оксидов, по строению могут быть причислены к классу солей. К таким веществам принадлежат, в частности, пероксиды металлов, например, пероксид бария. По своей природе пероксиды представляют собой соли очень слабой кислоты – пероксида водорода H–O–O–H. Следует заметить, что, в отличие от оксидов, степень окисления кислорода в пероксидах равна минус 1. К солеобразным соединениям относятся и такие оксиды как Fe₃O₄ – оксид железа (II,III), Pb₂O₃, Pb₃O₄ – оксиды свинца (II,IV), Mn₃O₄ – оксид марганца (II,IV), формулы которых можно представить в виде солей: Fe(FeO₂)₂, PbPbO₃, Pb₂PbO₄ , Mn₂MnO₄ . Более подробно эти соединения рассматриваются в разделе 2.5.2 данной лекции.