2. Типы химических соединений
Все простые вещества в неорганической химии делятся на две большие группы: Металлы — Неметаллы.
Металл (название происходит от лат. metallum — шахта) — один из классов элементов, которые в отличие от неметаллов (и металлоидов), обладают характерными металлическими свойствами. Металлами являются большинство химических элементов (примерно 70 %). Самым распространённым металлом в земной коре является алюминий.
Характерные свойства металлов: - металлический блеск (кроме йода. Несмотря на свой металлический блеск, кристаллический йод относится к неметаллам); - хорошая электропроводность; - возможность лёгкой механической обработки (например, пластичность); - высокая плотность; - высокая температура плавления (искл. ртуть и др.); - большая теплопроводность; - в реакциях являются восстановителями.
Все металлы (кроме ртути) тверды при нормальных условиях. Температуры плавления лежат в диапазоне от −39 °C (ртуть) до 3410 °C (вольфрам). В зависимости от их плотности, металлы делят на лёгкие (плотность 0,53 ÷ 5 г/см³) и тяжёлые (5 ÷ 22,5 г/см³).
На внешнем электронном слое у большинства металлов небольшое количество электронов (1-3), поэтому они в большинстве реакций выступают как восстановители (то есть «отдают» свои электроны).
С кислородом реагируют все металлы, кроме золота, платины. Реакция с серебром происходит при высоких температурах, но оксид серебра(II) практически не образуется, т.к. он термически неустойчив. В зависимости от металла на выходе могут оказаться оксиды, пероксиды, надпероксиды: 2Li + O2 = 2Li2O оксид лития; 2Na + O2 = Na2O2 пероксид натрия; K + O2 = KO2 надпероксид калия. Чтобы получить из пероксида оксид, пероксид восстанавливают металлом: Na2O2 + 2Na = 2Na2O. Со среднмими и малоактивными металлами реакция происходит при нагревании: 3Fe + 2O2 = Fe3O4; 2Hg + O2 = 2HgO; 2Cu + O2 = 2CuO.
С азотом реагируют только самые активные металлы, при комнатной температуре взаимодействует только литий: 6Li + N2 = 2Li3N. При нагревании: 2AL + N2 = 2AlN; 3Ca + N2 = 2Ca3N2.
С серой реагируют все металлы, кроме золота и платины.
Неметаллы. Элементы с типично неметаллическими свойствами занимают правый верхний угол Периодической системы. Расположение их в главных подгруппах соответствующих периодов следующее:
|
Группа |
III |
IV |
V |
VI |
VII |
|
2-й период |
B |
C |
N |
O |
F |
|
3-й период |
|
Si |
P |
S |
Cl |
|
4-й период |
|
|
As |
Se |
Br |
|
5-й период |
|
|
|
Te |
I |
|
6-й период |
|
|
|
|
At |
Характерной особенностью неметаллов является большее (по сравнению с металлами) число электронов на внешнем энергетическом уровне их атомов. Это определяет их большую способность к присоединению дополнительных электронов и проявлению более высокой окислительной активности, чем у металлов.
Неметаллы имеют высокие значения сродства к электрону, большую электроотрицательность и высокий окислительно-восстановительный потенциал.
Благодаря высоким значениям энергии ионизации неметаллов их атомы могут образовывать ковалентные химические связи с атомами других неметаллов и амфотерных элементов. В отличие от преимущественно ионной природы строения соединений типичных металлов, простые неметаллические вещества, а также соединения неметаллов имеют ковалентную природу строения.
В свободном виде могут быть газообразные неметаллические простые вещества — фтор, хлор, кислород, азот, водород, твёрдые — иод, астат, сера, селен, теллур, фосфор, мышьяк, углерод, кремний, бор, при комнатной температуре в жидком состоянии существует бром.
Все сложные вещества (то есть, состоящие из двух и более химических элементов) делятся на следующие группы:
Оксиды — Соли — Основания — Кислоты
Оксид (окисел, окись) — соединение химического элемента с кислородом, в котором сам кислород связан только с менее электроотрицательным элементом. Не считая фтора, кислород — самый электроотрицательный химический элемент, поэтому к оксидам относятся почти все соединения химических элементов с кислородом. К исключениям относятся, например, дифторид кислорода OF2.
Оксиды — весьма распространенный тип соединений, содержащихся в земной коре и во вселенной вообще. Примерами таких соединений являются ржавчина, вода, песок, углекислый газ, ряд красителей. Окислами называется класс минералов, представляющих собой соединения металла с кислородом.
Соединения, содержащие атомы кислорода, соединённые между собой, называются пероксидами (перекисями) и супероксидами. Они не относятся к категории оксидов.
В зависимости от химических свойств различают: солеобразующие оксиды; основные оксиды (например, оксид натрия Na2O, оксид меди(II) CuO); кислотные оксиды (например, оксид серы(VI) SO3, оксид азота(IV) NO2); амфотерные оксиды (например, оксид цинка ZnO, оксид алюминия Al2О3); несолеобразующие оксиды (например, оксид углерода(II) СО, оксид азота(I) N2O, оксид азота(II) NO).
Соли — класс химических соединений, кристаллические вещества, по внешнему виду похожие на обычную поваренную соль.
Соли имеют ионную структуру. При растворении (диссоциации) в водных растворах соли дают положительно заряженные ионы металлов и отрицательно заряженные ионы кислотных остатков (иногда также ионы водорода или гидроксогруппы). В зависимости от соотношения количеств кислоты и основания в реакциях нейтрализации могут образоваться различные по составу соли.
Типы солей:
- средние (нормальные) соли — все атомы водорода в молекулах кислот замещены на атомы металла. Пример: Na2CO3, K3PO4;
- кислые соли — атомы водорода в молекулах кислоты замещены атомами металла частично. Получаются они при нейтрализации основания избытком кислоты. Пример: NaHCO3, K2HPO4;
- основные соли — гидроксогруппы основания (OH-) частично заменены кислотными остатками. Получаются при избытке основания. Пример: Mg(OH)Cl;
- двойные соли — образуются при замещении атомов водорода в кислоте атомами двух разных металлов. Пример: CaCO3·MgCO3, Na2KPO4;
- смешанные соли — в их составе один катион и два аниона. Пример: Ca(OCl)Cl;
- гидратные соли (кристаллогидраты) — в их состав входят молекулы кристаллизационной воды. Пример: CuSO4·5H2O;
- комплексные соли — особый класс солей. Это сложные вещества, в структуре которых выделяют координационную сферу, состоящую их комплексообразователя (центральной частицы) и окружающих его лигандов. Пример: K2[Zn(OH)4], [Cr(H2O)6]Cl3, [Ni(NH3)6](NO3)2;
Особую группу составляют соли органических кислот, свойства которых значительно отличаются от свойств минеральных солей.
Основания — (основные гидроксиды) — класс химических соединений, вещества, молекулы которых состоят из ионов металлов или иона аммония и одной (или нескольких) гидроксогруппы (гидроксида) -OH. В водном растворе диссоциируют с образованием катионов и анионов ОН-. Название основания обычно состоит из двух слов: «гидроксид металла/аммония». Хорошо растворимые в воде основания называются щелочами.
Согласно другому определению, основания — один из основных классов химических соединений, вещества, молекулы которых являются акцепторами протонов. В органической химии по традиции основаниями называют также вещества, способные давать аддукты («соли») с сильными кислотами, например, многие алкалоиды описывают как в форме «алкалоид-основание», так и в виде «солей алкалоидов».
Классификация оснований: растворимые в воде основания (щёлочи): LiOH, NaOH, KOH, Ca(OH)2; практически нерастворимые в воде гидрооксиды: Mg(OH)2, Zn(OH)2, Cu(OH)2, Al(OH)3, Fe(OH)3; другие основания: NH3 × H2O.
Химические свойства:
1. Действие на индикаторы: лакмус - синий, метилоранж - жёлтый, фенолфталеин - малиновый,
2. Основание + кислота = Соли + вода NaOH + HCl = NaCl + H2O
3. Щёлочь + кислотный оксид = соли + вода 2NaOH + SiO2 = Na2SiO3 + H2O
4. Щёлочь + соли = (новое)основание + (новая) соль Ba(OH)2 + Na2SO4 = BaSO4&darr + 2NaOH
Кислоты — один из основных классов химических соединений. Они получили своё название из-за кислого вкуса большинства кислот, таких, как азотная или серная. По определению кислота — это протолит (вещество, участвующее в реакциях с переходом протона), отдающий протон в реакции с основанием, то есть веществом, принимающим протон. В свете теории электролитической диссоциации кислота — это электролит, при электролитической диссоциации из катионов образуются лишь катионы водорода.
Классификация кислот:
- по содержанию кислорода: бескислородные (HCl, H2S) и кислородосодержащие (HNO3);
- по основности — количество атомов водорода: одноосновные (HPO3), двухосновные (H2SeO4, Азелаиновая кислота), трёхосновные (H3PO4);
- по силе: сильные (диссоциируют практически полностью, константы диссоциации больше 1·10-3 (HNO3 )) и слабые (константа диссоциации меньше 1·10-3 (уксусная кислота Kд= 1,7·10-5));
- по устойчивости: устойчивые (H2SO4) и неустойчивые (H2CO3);
- по принадлежности к классам химических соединений: неорганические (HBr), органические (HCOOH);
- по летучести: летучие (H2S) и нелетучие;
- по растворимости: растворимые (H2SiO3) и нерастворимые.