Тема: Найважливіші класи неорганічних сполук (теоретичні відомості)

Численні сполуки, що їх утворюють хімічні елементи, характеризуються різноманітністю за складом та властивостями. Серед них найбільшу і найважливішу групу становлять неорганічні сполуки, властивості яких вивчаються студентами вищих навчальних закладів у курсах "Неорганічна хімія" та "Загальна хімія".

До найважливіших класів неорганічних сполук належать бінарні сполуки елементів з киснем (оксиди, пероксиди, надпероксиди, озоніди), основи, кислоти, амфотерні гідроксиди та солі. У підручниках та навчальних посібниках з хімії для вищих навчальних закладів тему "Найважливіші класи неорганічних сполук" висвітлено недостатньо. Між тим, знання хімічних властивостей речовин, які вступають у реакцію, дає можливість передбачити перебіг тієї чи іншої реакції, свідомо складати хімічні рівняння та робити кількісні розрахунки. Все це конче необхідне студентам для подальшого вивчення хімії.

Загалом відомо біля трьохсот тисяч неорганічних сполук. Серед них можна виділити чотири найважливіші класи: оксиди, основи, кислоти, солі. Знаючи особливості основних класів неорганічних сполук, можна описати властивості окремих їх представників.

Оксиди являють собою складні речовини, молекули яких складаються з атомів кисню та іншого хімічного елемента (металу або неметалу). Наприклад: оксиди літію – (Li₂O), ферум (II) – FeO, хрому (III) – Cr₂O₃, силіцій диоксид – (SiO₂), фосфорний ангідрид (Р₂O₅).

Оксиди поділяються на солетворні та несолетворні. Останні не здатні утворювати солей ні з кислотами, ні з лугами, їх зовсім мало (крабон монооксид СО, нітроген монооксид NO, нітроген геміоксид N₂O). Солетворні оксиди поділяються на основні (їх гідрати являються основами), кислотні (їх гідрати являють собою кислоти) та амфотерні (їх гідрати проявляють як кислотні, так і основні властивості).

За сучасною хімічною номенклатурою представники цього класу сполук називаються наступним чином: до слова "оксид" добавляється назва іншого елемента з посиланням на ступінь окиснення, якщо він змінний.

Наприклад: СаО – кальцій оксид, Fe₂O₃ – ферум (III) оксид, Р₂О₅ – фосфор (V) оксид.

До основних оксидів відносяться переважно оксиди лужних та лужноземельних металів з яскраво вираженими металічними властивостями. Характерною рисою основних оксидів являється їх взаємодія з водою, що веде до утворення основ.

ВаО + Н₂O = Ва(ОH)₂

Причому, безпосередньо з водою при звичайній температурі реагують тільки оксиди s -елементів головних підгруп періодичної системи Д.І. Менделєєва (окрім оксидів берилію та магнію).

Основні оксиди взаємодіють з кислотними оксидами та кислотами, утворюючи солі:

СаО + СO₂ = СаСO₃

СuО + 2НСl = СuС1₂ + Н₂O

Кислотні оксиди утворюються неметалами (нітратний ангідрид N₂O₅), сульфатний ангідрид SO₃, хлорний ангідрид Сl₂O₇ та інші), а також металами, що проявляють ступені окиснення +5, +8, +7 (ванадій оксид (V) V₂O₅, хром триоксид СrO₃, марганцевий ангідрид Мn₂O₇, вольфрам триоксид WO₃). Більшість з кислотних оксидів безпосередньо взаємодіють з водою з утворенням відповідних кислот, являючись, таким чином, їх ангідридами:

SO₂ + Н₂О = Н₂SO₃

СrO₃ + Н₂О = Н₂СrO₄

Взаємодіючи з лугами, кислотні оксиди утворюють відповідні солі з виділенням води:

СO₂ + 2NaОН = Na₂СО₃ + Н₂O

Амфотерні оксиди утворюються деякими металами, що проявляють ступені окиснення +3, +4, іноді навіть +2. Так, наприклад, до амфотерних оксидів відносяться оксиди берилію ВеО, цинку ZnО та алюмінію Аl₂O₃, оксид хрому (III) Сr₂O₃, оксиди олова SnО і свинцю РbО (II), манган диоксид МnO₂ та деякі інші. Вони характеризуються реакціями солетворення як з кислотами, так і з основами, тому що в залежності від реагентів, з якими вони взаємодіють, здатні проявляти як основні, так і кислотні властивості.

Так хром (III) оксид реагує з кислотою як основний:

Сr₂O₃ + 6НСl = 2СrСl₃ + 3Н₂O,

а з лугами – як кислотний оксид:

Сr₂O₃ + 2NaОН = 2NaСrO₂ + Н₂O

Якщо елемент здатний утворювати декілька оксидів, наприклад, оксиди хрому (II, III, VI), то в напрямку збільшення ступеня окиснення металу відбувається закономірний перехід від основного, характеру відповідних сполук, що утворюють катіонні комплекси, до кислотних характеристик сполук, які утворюють аніонні комплекси. Так хром (III) оксид має амфотерний характер, хром (VI) оксид є хромовим ангідридом.

Оксиди можна отримати такими способами:

1. Взаємодією простих речовин з киснем:

2Мg + O₂ = 2МgO

2Р + 5O₂ = 2Р₂O₅

2. Термічним розкладом складних речовин:

Сu(ОН)₂ = СuО + Н₂O

СаСO₃ =СаО + СO₂

2Zn(NO₃)₂ = 2ZnО + 4NO₂ + O₂

3. Взаємодією металів з кислотами:

Сu + 4HNO₃ = Сu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2Н₂O

концентрований розчин

3Сu + 8HNO₃ = 3Сu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 4Н₂O

розведений розчин

4. В ході інших окисно-відновних реакцій:

СO₂ +С = 2СО

2СО + O₂ = 2СO₂

Основи становлять собою електроліти, які при дисоціації утворюють в якості аніонів тільки гідроксиданіони:

NаОН = Na⁺ + ОН^–

Кислотність основи визначається числом гідроксид-аніонів, які утворюються при дисоціації. Багатокислотні основи дисоціюють ступенево у кілька стадій:

1) Мg(ОН)₂ = (МgОН)⁺ + ОН^–

2) (МgОН)⁺ = Мg²⁺ + ОН^–

За розчинністю у воді основи розрізняються таким чином:

а) луги – це основи, що розчиняються у воді. До них можна віднести гідроксиди лужних та лужноземельних металів, а також талій (І) гідроксид;

б) нерозчинні основи: гідроксиди міді та цинку, хром (III) гідроксид.

Назви основ утворюються із слова "гідроксид" і назви відповідного металу з посиланням на його ступінь окиснення, якщо він змінний. Наприклад, Са(ОН)₂ – кальцій гідроксид.

З точки зору теорії електролітичної дисоціації загальні властивості лугів обумовлені наявністю гідроксид-аніонів.

Водні розчини лугів змінюють забарвлення індикаторів: в їх присутності фіолетовий лакмус синіє, безбарвний фенолфталеїн стає малиновим, метиловий оранжевий – жовтіє.

Луги утворюють з кислотними оксидами солі та воду:

Ва(ОН)₂ + СO₂ = ВаСO₃ + Н₂О

Луги також взаємодіють з кислотами, утворюючи при цьому солі та воду. Це являє собою суть реакції нейтралізації:

NaОН + Н₂SO₄ = NaHSO₄ + Н₂O

2NaОН + Н₂SO₄ = Na₂SO₄ + 2Н₂O

Fe(ОН)₃ + 3НСl = FеСl₃ + 3Н₂O

При дії лугів на розчини солей утворюються нові солі і інші основи:

2KОН + СuSO₄ = Сu(ОН)₂ + К₂SO₄

Са(ОН)₂ + Na₂СO₃ = СаСO₃ + 2NaОН

Як правило, нерозчинні у воді основи розкладаються при нагріванні:

2Fe(ОН)₃ = Fе₂O₃ + 3Н₂O

Сu(ОН)₂ = СuО + Н₂O

Луги можна отримати таким чином:

1. Розчиненням у воді деяких відповідних оксидів:

СаО + Н₂O = Са(ОН)₂

2. Взаємодією з водою лужних та лужноземельних металів:

СаО + Н₂O = Са(ОН)₂

Поширеним способом отримання нерозчинних у воді основ є дія лугів на розчинні солі металів, основи яких нерозчинні:

2NаОН + FеSO₄ = Fе(ОН)₂ + Na₂SO₄

Кислоти це електроліти, при дисоціації яких у якості катіонів утворюються тільки катіони гідрогену H⁺ (точніше, іони гідроксонію Н₃O+):

HCl = H⁺ + Cl^–

Основність кислот визначається числом катіонів гідрогену, які утворюються при дисоціації. Багатоосновні кислоти дисоціюють ступенево.

Наприклад:

Н₂СO₃ = Н⁺ + НСО₃^–

НСO₃ = Н⁺ + СО₃^2–

Кислоти можна віднести до безкисневих (хлоридна, бромидна, синильна, сірководнева) та кисневмісних (азотна, сірчана, фосфорні кислоти).

Властивості кислот

З точки зору теорії електролітичної дисоціації загальні властивості кислот обумовлені наявністю катіонів гідрогену.

У розчинах кислот індикатори змінюють своє забарвлення відповідним чином. Наприклад, лакмус стає червоним, метиловий оранжевий – рожевим.

Кислоти взаємодіють з металами, які знаходяться ліворуч гідрогену в ряду стандартних електронних потенціалів, з утворенням солі та відділенням водню:

2Аl + 3H₂SO₄ = Аl₂(SO₄)₃ + 3Н₂

Водень не утворюється при взаємодії металів з нітратною та концентрованою сульфатною кислотами:

3Zn + 4H₂SO₄ = 3ZnSO₄ + S + 4H₂O

4Zn + 10HNO₃ = 4Zn(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O

Кислоти також реагують з основами та основними оксидами:

H₂SO₄ + Мg(ОН)₂ = МgSO₄ + 2Н₂O

2HNO₃ + СаО = Са(NO₃)₂ + Н₂O

При взаємодії кислот з солями утворюються нові солі та кислоти:

2НСl + СаСO₃ = СаСl₂ + Н₂СO₃

СO₂ Н₂O

H₂SO₄ + ВаСl₂ = ВаSO₄ + 2НСl

Кислоти можна отримати таким чином:

1. Гідратацією кислотних оксидів

Р₂O₅ + 3Н₂O = 2Н₃РO₄

2. Реакціями обміну солі з кислотою:

Са₃(РO₄)₂ + 3H₂SO₄ = 3СаSO₄ + 2Н₃РO₄

Амфотерні гідроксиди проявляють як основні, так і кислотні властивості. До них відносять, наприклад, гідроксиди хрому (III), цинку, берилію, алюмінію та інші.

Амфотерні гідроксиди здатні реагувати як з кислотами, так і з лугами. З кислотами вони ведуть себе як основи, а з лугами – як кислоти. Для того, щоб встановити амфотерність гідроксиду, слід провести дві реакції взаємодії його як з кислотою, так і з лугом. Якщо обидві реакції відбуваються, то гідроксид є амфотерним:

Сr(ОН)₃ + 3НСl = СrСl₃ + 3Н₂O

Сr(ОН)₃ + 3NaOН = Na₃[Cr(OH)₆]

Солі це електроліти, при дисоціації яких утворюються катіони металів (чи іони амонію NH₄⁺) та аніони кислотних залишків.

Солі поділяють на середні, кислі та основні.

Середні солі можна розглядати як продукти повного заміщення атомів гідрогену кислоти атомами металу чи в якості продуктів повного заміщення гідроксоаніонів основ кислотними залишками. Наприклад, натрій карбонат, калій сульфат, кальцій ортофосфат. Рівняння дисоціації середніх солей можна представити наступним чином:

K₃РO₄ = 3К⁺ + РO₄^3–

NH₄Cl = NH₄⁺ + Cl^–

Кислі солі становлять собою продукти неповного заміщення атомів гідрогену багатоосновних кислот атомами металів, їх утворюють тільки багатоосновні кислоти. Наприклад, натрій гідрогенкарбонат, кальцій дигідрогенфосфат, калій гідрогенсульфат.

Дисоціацію кислої солі можна представити рівнянням:

NаНСO₃ = Nа⁺ + HCO₃^–

Са(Н₂РO₄)₂ = Са²⁺ + 2H₂РO₄^–

В подальшому гідроген-аніон дисоціює незначною мірою.

Основні солі за складом є продуктами неповного заміщення гідроксо-аніонів основ на кислотні залишки. Наприклад, купрум гідроксокарбонат, алюміній дигідроксонітрат, ферум (II) гідроксохлорид. Дисоціація основної солі може бути представлена рівнянням: МgОНСl = МgОН⁺ + Сl^– В подальшому МgОН⁺ дисоціює незначною мірою.

Номенклатура солей

За сучасною номенклатурою назва солі утворюється із назви катіону (металу чи основного залишку) з зазначенням ступеня окиснення металу, якщо він може бути непостійним і назви аніона (кислотного залишку). Наприклад, СаСO₃ – кальцій карбонат, МgСl₂ – магній хлорид, Сr₂(SO₄)₃ – хром (IIІ) сульфат.

Назви кислих солей утворюються додаванням до назви катіона назви гідроген-аніона, яка вказує на наявність атомів гідрогену в кислотному залишку, при необхідності – з використанням відповідних числівників, які відповідають кількості атомів гідрогену. Наприклад, NаНSO₃ – натрій гідрогенсульфат, Са(Н₂РO₄)₂ – кальцій дигідроген фосфат.

Як уже відмічалось, солі взаємодіють з кислотами і з лугами.

При взаємодії двох розчинних у воді солей утворюються дві нові солі, одна з яких повинна випадати в осад:

Ва(NO₃)₂ + К₂SO₄ = 2KNO₃ + ВаSO₄

Реакція металу з сіллю менш активного металу приводить до утворення іншої солі і витіснення менш активного металу. Вихідна сіль повинна бути розчинною у воді, а метал – знаходитись в ряду стандартних електронних потенціалів ліворуч металу, що витісняється із солі:

Fе + СuSO₄ = FеSO₄ + Сu

Середні солі можна отримати багатьма способами. Наприклад:

СаО + Н₂SO₄ = СаSO₄ + Н₂O

СаО + СO₂ = CаСO₃

Р₂O₅ + 6NаОН = 2Nа₃РO4 + 3Н₂O

Zn(ОН)₂ + 2HNO₃ = Zn(NO₃)₂ + 3Н₂O

Ва(ОН)₂ + К₂СO₃ = ВаСO₃ + 2КОН

Мg + 2НСl = МgСl₂ + Н₂

Н₂SO₄ + ВаСl₂ = ВаSO₄ + 2НСl

Рb(NО₃)₂ + Na₂SO₄ = РbSO₄ + 2NaNO₃

Сu + 2АgNO₃ = 2Аg + Сu(NO₃)₂

2Na + Cl₂ = 2NaCl

Кислі солі можна отримати таким чином:

При взаємодії основ з надлишком кислоти:

NaОН + Н₃РO₄ = NаН₂PО₄ + Н₂O

При взаємодії середньої солі з кислотою:

Na₃РO₄ + 2Н₃РO₄ = 3NaН₂РO₄

Основні солі можна отримати таким чином:

При взаємодії з надлишком основи:

Н₂SO₄ + 2Сu(ОН)₂ = (СuОН)₂SO₄ + 2Н₂O

При взаємодії середньої солі з недостачею лугу:

2СuSO₄ + 2NаОН = (СuОН)₂SO₄ + Nа₂SO₄

Перетворення кислих і основних солей в середні відбувається:

при дії лугу на кислу сіль: NаНSO₃ + NaОН = Na₂SO₃ +Н₂O

Са(Н₂РO₄)₂ + 2Са(ОН)₂ = Са₃(РO₄)₂ + 4H₂O

при дії кислоти на основну сіль:

(СuОН)₂SO₄ + Н₂SO₄ = 2СuSO₄ + 2H₂O

Класи неорганічних сполук

(лабораторна робота)

Мета роботи: ознайомлення з реакціями утворення оксидів, їх гідратів, солей, а також з властивостями основних класів неорганічних сполук: оксидів, основ, кислот і солей.

Обладнання та реактиви: металева ложка, пробірки, фільтрувальний папір, фарфорова чашка, пінцет, тигельні щипці, скляна паличка, апарат Кіппа.

Індикатори: лакмус, фенолфталеїн.

Реактиви: натрій, магній, сірка, купрум (II) оксид, карбон (IV) оксид.

Розчини: соляна кислота (розв.) (2 н.), магній оксид, магній сульфат (0,5 н.), купрум (II) сульфат (0,5 н.), ферум (III) хлорид (0,5 н.), натрій гідроксид (2 н.), цинк сульфат (0,5 н.), кальцій гідроксид, фосфатна кислота (розв.) меркурій (II) нітрат, натрій хлорид (0,5 н.), аргентум нітрат (0,1 н.), натрій сульфат (0,5 н.), натрій карбонат (2 н.).