Лидин Р. А., Молочко В. А. Химия для абитуриентов. От средней школы к вузу

Б. НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

10. ВАЖНЕЙШИЕ ТИПЫ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

Классификация неорганичёскйх веществ. Простые и сложные вещества.

- Простые вещества-металлы, неметаллы, вещества с амфотерными свойствами, благородные газы.

Сложные вещества-гидроксиды, соли, оксиды и бинарные соеди­ нения.

Гидроксиды. Группы гидроксидов-кислотные (кислоты) и ос­ новные (основания). Номенклатура кислот и оснований. Химические свойства кислот и оснований. Реакции нейтрализации {солеобразования).

Соли. Группы солей-средние, кислые, основные, двойные, сме­ шанные. Номенклатура солей и их химические свойства.

Оксиды. Группы оксидов-кислотные и основные. Номенкла­ тура и химические свойства. ^

Амфотерные гидроксиды и оксиды. Номенклатура и химические свойства.

Бинарные соединения. Несолеобразующие и солеобразные оксиды. Бескислородные кислоты и соли. Другие бинарные со­

единения.

Способы получения важнейших типов веществ.

Классификация неорганических веществ прошла долгий путь развития и складывалась постепенно, начиная с первых опытов алхимиков вплоть до наших дней, когда ученые-хи­ мики получили в свое распоряжение совершенные физические приборы для исследования состава, строения и взаимодей­ ствия веществ.

Химические элементы делятся в первом приближении на элементы с металлическими и неметаллическими свойст­ вами. 'Однако многие элементы в соответствии с Перио­ дическим законом проявляют одновременно в той или иной мере свойства металлов и неметаллов. Такие элементы называют амфотерными.

В силу большого своеобразия химических свойств выде­ ляют отдельно благородные газы - элементы УША-группы Периодической системы. Исследования последних лет позво­ ляют, тем не менее, причислить некоторые из них (Кг, Хе, Кп) к неметаллам.

Соответственно подразделению элементов классифици­

91

руют простые (одноэлементные) вещества-формы сущест­ вования химических элементов в свободном виде.

Классификация *сложных (двухили : многоэлементных) веществ по составу основана на наличии в соединении самого распространенного в природе элемента-кислорода

и на самом распространенном соединении кислорода-воде

н2о.

Кислород образует соединения со всеми элементами, кроме Не, № и Аг. Из них соединение ОР2-это дифторид кислорода, остальные соединения (общая формула 3*0^)- это оксиды, поскольку кислород-второй по электроотри­ цательности элемент (после фтора). Оксиды-пер вый тип сложных веществ.

При соединении оксидов с водой (чаще формально, реже реально) получаются гидроксиды. По химическим свойствам различают кислотные НхЭОу, основные и амфотерные

М(ОН)л гидроксиды, соответствующие кислотным, основ? ным и амфотерным оксидам. Гидроксиды-второй тип сложных веществ.

Разные типы гидроксидов реагируют Между собой и об­ разуют соли, имеющие общую формулу Мл(ЭОД и состоя­ щие из катионов Мл* и анионов (кислотных остатков) 3 0 * “ . Такие соли называются средними солями, а если, они содер­ жат два химически разных катиона или кислотных остатка- двойными и смешанными солями. При наличии водорода

атомов кислорода О2~-основными солями. Соли-это тре­ тий тип сложных веществ.

Обширным типом сложных веществ являются бинарные соединения - неорганические сложные вещества, которые не относятся к оксидам, гидроксидам и солям. К ним при­ надлежат все двухэлементные соединения, в том числе и сое­ динения кислорода, не являющиеся оксидами по химическим свойствам, а также многоэлементные соединения, которые включают или более одного катиона (аниона) или сложный катион (анион). Бинарные соединения-это четвертый тип сложных веществ.

Рассмотрим подробнее состав, номенклатуру, химические свойства и способы получения важнейших типов неорга­ нических сложных веществ. .

Гидроксиды. Кислотные и основные гидроксиды.

Гидроксиды образованы атомами некоторого элемента Э”+ (кроме фтора и кислорода) и гидроксогруппами ОН“ .

92

Общая формула гидроксидов (за некоторым исключением) Э(ОН)л, где п = 1 -г-6. Форма гидроксидов с и > 2 , содержа-^ щая больше атомов кислорода и водорода называется орто­ формой, а содержащая меньше атомов кислорода и водоро­ да ^-мета-формой (другими словами, формулы орто- и л*етя-гидроксидов, различаются по «содержанию» Н20):

всегда содержат атомы водорода, способные замещаться на атомы металла в соответствии со стехиометрической ва­ лентностью.

Большинство типично кислотных гидроксидов находится в мета-форме. При записи формул кислотных гвдроксидов атомы водорода ставят на первое место, учитывая их элек- . тролитическую диссоциацию в воде (см. разд. 8), например,

В табл. 10.1 приведены названия распространенных кис­ лотных гидроксидов, состоящие из собственного названияприлагательного и группового термина «кислота», и назва­ ния соответствующих кислотных остатков (прочерк озна­ чает, что гидроксид не известен).

Эти названия необходимо выучить. Названия кислотных остатков используются в названиях солей. Обратите внима­ ние на гидрат 8О2 лН20 , его часто (и неверно) называют сернистой кислотой Н28 0 3, хотя вещество состава Н28 0 3 не существует.*

Основные гидроксиды {основания) содержат гидроксогруппы ОН“, способные замещаться на кислотные остатки. Все основные гидроксиды находятся в орто-форме, они образо­

Распространенные сильнооснодные гидроксиды (щелочи) имеют также тривиальные, названия, которые широко ис­ пользуются в лабораторной практике:

93

Таблица 10.1. Распространенные кислородсодержащие кислоты и кислотные остатки

Важнейшее химическое свойство основных ,и кислотных гидроксидов-взаимодействие их ^ежду собой с образо­ ванием солей (реакция нейтрализации, или солеобразования):

а) Са(ОН)2 4- Н2804 = Са804| 4- 2НгО,

б) Са(ОН)2 4- 2Н2804 = Са(Н804)2 + 2Н26,

в) 2Са(ОН)2 4- Н2804 = Са2804(0Н)2| + 2НгО.

Соли. В состав солей входят катионы М"+ и кислотные остатки. Если кислотный остаток не содержит водорода, соли называются средними.

Названия средних солей:

94

используются тривиальные названия, например:

Средние соли-продукты полной нейтрализации основа­ ний кислотами, например:

ЗВа(ОН)2 + 2Н3Р 0 4 = Ва3(Р04)2| 4- 6Н20.

Средние соли вступают в реакции обмена в водном растворе с другими солями, кислотами и щелочами:

Реакции, приведенные выше, являются распространен­ ными способами получения солей. Кроме того, средние соли образуются при взаимодействии металлов с кислотами:

а) Ре 4- Ц2804 (разб.) = Ре804 4- Н2|,

б) Си ,+ 4НИ03 (конц.) = Си(Ж)3)2 4- 21Ч02Т + 2НгО.

Многие средние соли находятся в земной коре в виде минералов, имеющих промышленное значение, например, магнезит М§С03, кальцит (мрамор) СаСОэ, витлокит Са3(Р04)2, гипс Са804*2Н20, мирабилит Ыа280410Н2О, фенакит Ве28Ю4 и др.

Соли, содержащие кислотные остатки с незамещенными атомами водорода, называются кислыми. Названия кислых солей:

Кислые соли-продукты неполной нейтрализации кисло­ ты основанием, например:

а) Ва(ОН)2 4- 2Н3Р 04 = Ва(Н2Р04)2 4- 2Н20,

б) Ва(ОН)2 4- Н3Р0 4 = ВаНР04| 4- 2Н20.

Возможна и дальнейшая нейтрализация кислых солей

избытком основания:

а) Ва(ОН)2 4- Ва(Н2Р 0 4)2 = 2ВаНР04| + 2НгО,

б) Ва(ОН)2 + 2ВаНР04 = Ва3(Р04)2| + 2НгО.

Соли, содержащие в своем составе гидроксогруппы, назы­ ваются основными. Названия основных солей:

Са2804(0Н)2- дигидроксид-сульфат кальция

Со>Ю3(ОН) -гидроксид-нитрат кобальта(Н)

А128Ю4(ОН)2- дигидроксид-ортосиликат алюминия

Иногда формулы основных солей записывают по-дру­ гому, объединяя в одной скобке катион металла и гидроксогруппу (это не очень точно для твердых солей, поскольку ионы Мл+ и ОН“ находятся в разных узлах кристаллической решетки, но верно для солей в растворе, хотя они очень плохо растворимы в воде и концентрация связанных между собой ионов Мл+ и ОН“ чрезвычайно мала). Иная запись формулы влечет за собой изменение названия:

(Са0Н)2804сульфат гидроксокалыдая

(СорН)Ж)3 -нитрат гидроксокобальта(П)

(А10Н)28Ю4- ортосиликат гидроксоалюминия

Большинство основных солей малорастворимо в воде.

Многие основные соли являются минералами, например мала­ хит Си2С 03(0Н)2, гидроксиапатит Са5(Р04)30Н, герхардтит Си2Ж )3(ОН)3, бутлерит Ре804(0Н) и др.

Основные соли-продукты неполной нейтрализации осно­ вания кислотой:

Со(ОН)2 + ЬШ03 = СоЖ>3(ОНП + н2о.

Возможна дальнейшая нейтрализация основных солей

Сильные кислоты разрушают кислые соли слабых кислот, а щелочи-основные соли малорастворимых оснований, на­ пример:

а) Ва(Н2Р0 4)2 + Н2804 = Ва804| + 2Н3Р04,

б) СоЖ)з(ОН) + ИаОН = Со(ОН)2| + ЫаЖ)3.

96

Известны также соли, содержащие два химически разных катиона (двойные соли) или аниона (смешанные соли).

Например:

КА1(804)2 -сульфат алюминия-калия Ре{МН4)2(804)2 - сульфат диаммония-железа(Н) 1лА1(8Ю3)2 -метасиликат алюминия-лития На3С 03(НС03)-щцрокарбонат-карбонат натрия На2Ю3(Ж)3) -нитрат-иодат натрия

Большинство двойных и смешанных солей малораство­ римо в воде. . .

Многие из них являются промышленно важными минералами, например, шёнит К2М§(804)2 • 6Н20, доломит СаМ§(С03)2, чилий­ ская селитра (нитронатрит) На2Ю3(Ж)3), алюмокалиевые квасцы

Кислотные и основные оксиды. При полной дегидратации гидроксидов всегда получаются оксиды:

Кислотам Н280 4 и Н2С 03 отвечают кислотные оксиды, основаниям ООН и Са(ОН)2 - основные оксиды. Степени окисления элементов совпадают в гидроксиде и оксиде (Н28У10 4- 8 У10 3, 1л!ОН-1л^О).

Названия оксидов: -

Кислотные и основные оксиды сохраняют солеобразую­ щие свойства соответствующих гидроксидов при взаимо­ действии с противоположными по свойствам^гидроксидами или между собой: ' '

а) Н20 5 + 2ИаОН « 2ЫаЫ03 + Н20,

б) ЗСаО + 2Н3Р 0 4 = Са3(Р04)2| + ЗН20,

в) и2о + 803 = и28о4.

Некоторые (но далеко не все) кислотные и основные оксиды реагируют с водой, переходя в кислотные и основные гидроксиды.

97

4-1945

Примеры:

Основные и кислотные оксиды можно получить при сжигании металлов и неметаллов в кислороде (или на воз­

В природе кислотные и основные оксиды встречаются в виде минералов, например кварц (горный хрусталь, кремнезём, песок) 8Ю2, опал (яшм&) 8Ю2• лН20, известь СаО, тенорит СиО, куприт Си20 и др.

Амфотерные гидроксиды и оксиды. Амфотерность (двойственность свойств) гидроксидов и оксидов некоторых элементов проявляется в образовании ими двух рядов солей. Например, для гидроксида и оксида алюминия:

а) 2А1(ОН)3 + З803 = А12(804)3 + ЗН26 ,

В реакциях (а) А1(ОН)3 и А120 3 проявляют свойства основных гидроксидов и оксидов, т. е. они подобно щелочам реагируют с кислотами и кислотными оксидами, образуя соль, в которой алюминий является катионом. А13 + . Напро­ тив, в реакциях (б) А1(ОН)3 и А120 3 выполняют функцию кислоты и кислотного оксида соответственно, образуя соль, в которой атом алюминия А1ш входит в состав аниона АЮ2 (кислотного остатка), подобно ]ЧУ и 8У1 в кислотных остатках N03 и 8 0 Г .

Сам элемент алюминий проявляет в этих соединениях свойства металла и неметалла. Следовательно, алюминий - амфотерный элемент. Подобные свойства имеют также элементы А-групп-Ве, Оа, Ое, 8п, РЬ, 8Ъ, В1, Ро и др., а также большинство элементов Б-групп-Сг, Мп, Ре, 2п, Сё, Аи и др. Например:

а) 2п(ОН)2 4- 1Ч20 5 = 2п(ЫОэ)2 4- Н 20 ,

2пО 4- 2НЫОэ = 2п(Ы03)2 4- Н20,

98

б) 2п(ОН)2 + Ыа20 = Ыа22п02 + Н20, 2пО + 2ШОН = Ыа22п02 + Н20. ^

Если амфотерный элемент имеет э соединениях несколько степеней окисления, то амфотерные свойства наиболее ярко проявляются для промежуточной степени окисления. На­ пример, у хрома известны три степени окисления - (4- II), (4-III) и (4-VI). Для Сг111 кислотные и основные свойства выражены в равной степени, тогда как у Сг11 наблюдается преобладание основных свойств, а у СгУ1 преобладание

Очень часто амфотерные гидроксиды элементов в степени окис­ ления (4-III) существуют также в мета-форме, например АЮ(ОН)- метагидроксид алюминия, РеО(ОН)-метагидроксид железа [для железа орто-форма Ре(ОН)3 не существует].

Амфотерные. гидроксйды практически нерастворимы в воде; наилучший^ способ их получения-осаждение из водного раствора с помощью гидрата аммиака:

А1(Ы03)3 + 3(ЫН3 Н20) — А10(0Н)4 + ЗЫН^Оэ + Н20.

Гидрат аммиака-слабое основание; в случае же исполь­ зования щелочей (в избытке) гидроксид алюминия не осаж­ дается, поскольку алюминий в силу своей амфотерности легко перейдет в анион:

А1(ОН)з 4- ЫаОН = Йа[А1(ОН)4]. ,

Примеры неосаждения амфотерных гидроксидов алюми­ ния и цинка из ^водных растворов солей:

А1(Ж>3)з 4- 4ИаОН (конц.) = На[А1(ОН)4] 4- ЗЫаЖ>3,

99

4*