Функциональная классификация сложных неорганических соединений

Традиционно по химическим свойствам среди основных классов не­ор­­га­ни­чес­ких соединений выделяют оксиды, гидроксиды, бес­кис­ло­род­ные кислоты, соли и галогенан­гид­ри­ды (см. схему 2):

 

Упражнения:

36. Приведите примеры химических соединений, относящихся к раз­лич­ным функциональным классам сложных неорганических соеди­не­ний: несолеобразующий оксид, основной оксид, амфотерный оксид, кислотный оксид, основной гидроксид (основание), амфотерный гидроксид, кислотный гидроксид (оксокислота), галогенангидрид, бескислородная кис­лота, средняя соль, основная соль, кислая соль, двойная соль, смешанная соль.

 

 

Схема 2. Основные классы сложных неорганических соединений.

 

Оксиды.

 

Оксидами называются бинарные соединения элементов с кисло­ро­дом в степени окис­ления –2. Характерной особенностью строения ок­си­дов является наличие в них толь­ко одного типа химической связи: эле­мент-кислород. В со­от­ветствии с формаль­ны­ми степенями окисления элемента (Э^я+, z = 1-8) и кислорода О^2- возможно образо­ва­ние оксидов с простейшими формулами: Э₂О, ЭО, Э₂О₃, ЭО₂, Э₂О₅. ЭО₃, Э₂О₇, ЭО₄. Истинные молеку­ляр­ные формулы оксидов соответствуют целому числу струк­турных единиц, оп­ре­де­ляемых простейшей формулой. Например, мо­лекулярная формула ок­си­да фос­фора (V) P₄O₁₀ соответствует его удвоенной прос­тей­шей формуле P₂O₅. В гра­­фических формулах оксидов число химических связей, об­разуемых каж­дым ато­мом химического элемента, принимается равным его фор­мальной степени окис­­ления. Каждый атом кислорода может образовывать две хи­ми­чес­кие связи либо не­пос­ред­ственно с одним атомом элемента, либо, выступая в ка­чест­ве «мос­ти­ко­вого ато­ма», по одной связи с двумя атомами элемента. Важно отме­тить, что в оксиды характе­ри­зу­ются наличием не более одного мостикового атома кислорода между двумя ато­ма­ми химических элементов. Это пока­зы­ва­ет, что бинар­ные соединения с кислоро­дом, характеризующиеся наличием двух и более мости­ко­вых атомов кислорода, к ок­си­дам не относятся. Например, как видно из графических формул:

Pb₂O₃ (PbO×PbO₂), Pb₃O₄ (2PbO×PbO₂), называемые ранее смешанными оксидами, сле­ду­ет рассматривать как свинцовые соли метасвинцовой (H₂PbO₃) и ортосвинцовой (H₄PbO₄) кислот.

Характерной особенностью строения пероксидов является наличие в их струк­турах кислородной группировки из O₂^2- с непосредственной химической связью между дву­мя атомами кислорода {-O-O-} – например, Na₂O₂, BaO₂. В связи с этим, несмотря на формальное подобие мо­ле­ку­­ляр­ных формул ЭО₂, BaO₂ относится к пероксидам, а PbO₂ – к оксидам.

Систематические названия оксидов и пероксидов обра­зу­ют­ся в соответствии с общими правилами для названий бинарных соединений. Названия складываются из сло­ва оксид (пероксид) и русского названия элемента в родительном падеже с указанием (для элементов с пе­ре­менной степенью окисления) римскими циф­ра­ми в круглых скоб­ках степени окисления элемента:

Na₂O - оксид натрия, Fe₂O₃ - оксид железа (III),

H₂O₂ - пероксид водорода, BaO₂ – пероксид бария.

Либо в названиях оксидов используются латинские числовые приставки:

Na₂O - оксид динатрия, Fe₂O₃ - триоксид дижелеза.

Некоторые оксиды и пероксиды имеют тривиа­ль­ные названия (при­ложение 2.), используемые в основном в технической литера­ту­ре.

В зависимости от способности оксидов к образованию солей при взаимо­дейс­твию с кислотами, кислотными оксидами, или основаниями и основными ок­сидами, они под­разделяются на солеобразующие и несолеобразующие (CO, NO, N₂O) оксиды. Со­ле­об­разующие оксиды подразделяются на основные, амфотер­ные и кислотные:

 

 

 

:

 

 

 

Схема 3. Классификация солеобразующих оксидов.

 

Основные оксиды с преимущественно ионным характером химической связи Э-О об­разуют прочные ионные кристаллические решетки с высокими темпера­ту­рами ки­пе­ния и плав­ления. В результате этого при нормальных условиях они существуют в ви­де твер­дых кристаллических веществ. Такие оксиды образуют на­именее электроот­ри­­ца­­тель­ные элементы периодической системы с отно­си­тель­но низкой сте­пенью окис­ления – например, катионы щелочных и щелочно­зе­мельных ме­тал­лов, ряд переходных металлов в низких степенях окисления.

Для кислотных оксидов с преимущественно ковалентным характером связи Э-О ха­рактерны менее прочные молекулярные кристаллические решетки с от­но­си­тельно низкими температурами кипения и плавления. Как следствие этого, типичные кис­лот­ные оксиды при нормальных условиях являются газами – CO₂, SO₂, летучими жид­кос­тя­ми, или лекгоплавкими твердыми веществами – (SO₃)₃ (t_кип. = 44,8 ^оС, t_пл. = 16,8 ^оС). Кислотные оксиды образуют электроотри­ца­тель­ные химические элементы (неметаллы или переходные металлы с высокой степенью окисления).

Амфотерные оксиды характеризуются ионно-ковалентным характером хи­ми­ческой связи Э-О и в основном образуют полимерные структуры. При нор­маль­ных условиях это твердые вещества. Образованию амфотерных оксидов спо­собствует как проме­жу­точ­ное значение относительной электроотрица­тель­нос­ти химического элемента, так и средние значения его степени окисления. На­пример, увеличение степени окисления хро­ма: Сr²⁺®Cr³⁺®Cr⁶⁺ приводит к ос­лаблению степени ионности и усилению кова­лен­т­ности связи Cr-O в оксидах и, как следствие этого, к закономерному переходу от основного оксида CrO к амфотерному Cr₂O₃ и кислотному оксиду CrO₃

В соответствии с характером химической связи основные и кислотные ок­си­ды вза­и­модействуют с водой с образованием соответствующих основных и кис­лотных гид­рок­сидов – оснований и кислородсодержащих кислот (оксокислот):

BaO + H₂O = Ba(OH)₂

SO₃ + H₂О = Н₂SO₄ {SO₂(OH)₂)}

Взаимодействие основных оксидов с кислотами, а кислотных оксидов с осно­ва­ни­ями сопровождается образованием соли и воды:

BaO + 2HCl = BaCl₂ + H₂O

SO₃ + 2NaOH = Na₂SO₄ + H₂O

Различный характер химической связи Э-О в кислотных и основных оксидах оп­ре­де­ля­ет эффективное взаимодействие их между собой с образование ок­со­со­лей: BaO + SO₃ = BaSO₄

Кислотно-основные свойства амфотерных оксидов выражены значительно сла­бее. С водой большинство амфотерных оксидов практически не взаимо­дейс­т­вуют. Их кис­лот­но-ос­новная двойственность проявляется при взаимо­дейс­т­вии с сильными основа­ни­ями и кислотами, а также с типично основными и кис­лотными оксидами:

ZnO + 2HCl = ZnCl₂ + 2H₂O

ZnO + 2NaOH + H₂O = Na₂[Zn(OH)₄]

ZnO + 2NaOH (сплав) = Na₂ZnO₂ + H₂O

ZnO + SO₃ = ZnSO₄

ZnO + Na₂O (сплав) = Na₂ZnO₂

Следует отметить, что образование оксосолей на основе амфотерных оксидов про­ис­хо­дит только в расплавах. В водных растворах продуктами их взаимо­дейс­твия с ос­но­ваниями являются соли, содержащие в качестве аниона гидрок­со­комплексы.

 

 

Упражнения:

10. Приведите систематические названия оксидов, распределите оксиды по классам: K₂O, BeO, Al₂O₃, OsO₄, CO, CO₂, ZnO, N₂O, NiO, N₂O₅, Cr₂O₃, CrO₃, Mn₂O₇. Какие из данных оксидов будут вступать в реакцию: а) с соляной кислотой, б) с гидроксидом натрия, в) и с соляной кислотой, и с гидроксидом натрия; записать уравнения химических реакций.

11. Указать, какая из приведенных графических формул отвечает оксиду Mn (VII) и почему:

12. Приведите молекулярные и графические формулы оксидов: маг­ния, алюминия, азота (IV), азота (I), фосфора (V), серы (VI), хлора (VII), марган­ца (VII), хрома (III). Приведите реакции гидратации (взаимодействия с водой) этих оксидов.

13. Напишите реакции, демонстрирующие кислотный характер следующих оксидов: CrO₃, TeO₃, Сl₂O₃, NO₂, SeO₂.

14. Приведите графические формулы, отражающие молекулярный состав окси­дов фос­фора(III) P₄O₆ и фосфора(V) P₄O₁₀.

15. На основании структурных формул объясните, какие из приведенных би­нар­ных кислородных соединений относятся к оксидам:

16. Приведите реакции, демонстрирующих кислотно-основные свойс­т­­ва окси­дов: Na₂O, MgO, Al₂O₃, SiO₂, P₂O₅, SO₃, Cl₂O₇, CrO, Cr₂O₃, CrO₃.