Класифікація та взаємозв’язок неорганічних речовин

Класифікація неорганічних речовин базується на хімічному складі – найбільш простий і постійною в часі характеристиці. Хімічний склад речовини показує, які елементи присутні в ньому і в якому числовому відношенні для їх атомів.

Елементи умовно діляться на елементи з металевими і неметалевими властивостями. Перші з них завжди входять до складу катіонів багатоелементних речовин (металеві властивості), другі – до складу аніонів (неметалічні властивості). Відповідно до Периодическим законом в періодах і групах між цими елементами знаходяться амфотерні елементи, що проявляють одночасно в тій чи іншій мірі металеві та неметалеві (амфотерні, двоїсті) властивості. Елементи VIIIA-групи продовжують розглядати окремо (благородні гази), хоча для Kr, Хе і Rn виявлені явно неметалічні властивості (елементи Нє, Ne, Ar хімічно інертні).

Класифікація простих і складних неорганічних речовин приведена в табл. 6.

Нижче наводяться визначення (дефініції) класів неорганічних речовин, їх найважливіші хімічні властивості і способи отримання.

Неорганічні речовини – сполуки, утворені усіма хімічними елементами (крім більшості органічних сполук вуглецю).

Метали мають високу відновлювальною здатністю в порівнянні з типовими неметалами. В електрохімічному ряді напруг вони коштують значно лівіше водню, витісняють водень із води (магній – при кип’ятінні):

Прості речовини елементів Cu, Ag і Ni також відносять до металів, так як у їхніх оксидів CuO, Ag2O, NiO і гідроксидів Cu (OH) 2, Ni (OH) 2 переважають основні властивості.

Неметали – прості речовини елементів з неметалевими властивостями (висока електронегативність). Типові неметали: F2, Cl2, Br2, I2, O2, S, N2, Р, С, Si.

Неметали володіють високою окисної здатністю в порівнянні з типовими металами.

Амфігени – амфотерні прості речовини, утворені елементами з амфотерним (подвійними) властивостями (електронегативність проміжна між металами і неметалами). Типові амфігени: Be, Cr, Zn, Аl, Sn, Pb.

Амфігени володіють більш низькою відновлювальною здатністю в порівнянні з типовими металами. В електрохімічному ряді напруг вони примикають зліва до водню або стоять за ним праворуч.

Аерогени – благородні гази, одноатомні прості речовини елементів VIIIA-групи: Нє, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn. З них He, Ne і Ar хімічно пасивні (з’єднання з іншими елементами не отримані), а Kr, Хе і Rn виявляють деякі властивості неметалів з високою електронегативні.

Елементи He, Ne і Ar сполук з киснем не утворюють. З’єднання елементів з киснем в інших ступенях окислення – це не оксиди, а бінарні сполуки, наприклад O + IIF2-I і H2 + IO2-I. Не належать до оксидів і змішані бінарні сполуки, наприклад S + IVCl2-IO-II.

Основним оксиди – продукти повної дегідратації (реальної чи умовної) основних гідроксидів, зберігають хімічні властивості останніх.

З типових металів тільки Li, Mg, Ca і Sr утворюють оксиди Li2O, MgO, СаО і SrO при спалюванні на повітрі; оксиди Na2O, К2O, Rb2O, Cs2O і ВаО отримують іншими способами.

Оксиди CuO, Ag2O і NiO також відносять до основних.

Кислотні оксиди – продукти повної дегідратації (реальної чи умовної) кислотних гідроксидів, зберігають хімічні властивості останніх.

З типових неметалів тільки S, Se, Р, As, С і Si утворюють оксиди SO2, SeO2, Р2O5, As2O3, СO2 і SiO2 при спалюванні на повітрі; оксиди Cl2O, Cl2O7, I2O5, SO3, SeO3, N2O3, N2O5 і As2O5 отримують іншими способами.

Виняток: у оксидів NO2 і ClO2 немає відповідних кислотних гідроксидів, але їх вважають кислотними, так як NO2 і ClO2 реагують з лугами, утворюючи солі двох кислот, а ClO2 і з водою, утворюючи дві кислоти:

А) 2NO2 + 2NaOH = NaNO2 + NaNO3 + H2O

Б) 2ClO2 + Н2О (хол.) = НClO2 + НClO3

2ClO2 + 2NaOH (хол.) = NaClO2 + NaClO3 + H2O

Оксиди CrO3 і Mn2O7 (хром і марганець у вищій ступені окислення) також є кислотними.

Амфотерні оксиди – продукти повної дегідратації (реальної чи умовної) амфотерних гідроксидів, зберігають хімічні властивості амфотерних гідроксидів.

Типові амфігени (крім Ga) при спалюванні на повітрі утворюють оксиди BeO, Cr2O3, ZnO, Al2O3, GeO2, SnO2 і РЬО; амфотерні оксиди Ga2O3, SnO і РЬO2 отримують іншими способами.

Подвійні оксиди утворені або атомами одного амфотерного елемента в різних ступенях окислення, або атомами двох різних (металевих, амфотерних) елементів, що і визначає їх хімічні властивості. Приклади:

(FeIIFe2III) O4, (Рb2IIPbIV) O4, (MgAl2) O4, (CaTi) O3.

Оксид заліза утворюється при згорянні заліза на повітрі, оксид свинцю – при слабкому нагріванні свинцю в кисні; оксиди двох різних металів отримують іншими способами.

Несолеобразующіе оксиди – оксиди неметалів, що не мають кислотних гідроксидів і не вступають в реакції солеутворення (відмінність від основних, кислотних і амфотерних оксидів), наприклад: СО, NO, N2O, SiO, S2O.

Гідроксиди – сполуки елементів (крім фтору і кисню) з гидроксогруппами О-IIН, можуть містити також кисень O-II. У гідроксид ступінь окислення елемента завжди позитивна (від + I до + VIII). Число гидроксогрупп від 1 до 6. Діляться за хімічними властивостями:

Кислоти можна отримати по реакціях відповідних кислотних оксидів з водою (нижче наведені реально протікають реакції):

Cl2O + H2O = 2HClO

Е2O3 + Н2О = 2НЕO2 (Е = N, As)

As2O3 + 3H2O = 2H3AsO3

EO2 + H2O = H2EO3 (Е = С, Se)

E2O5 + H2O = 2HEO3 (Е = N, Р, I)

E2O5 + 3H2O = 2H3EO4 (E = P, As)

EO3 + H2O = H2EO4 (E = S, Se, Cr)

E2O7 + H2O = 2HEO4 (E = Cl, Mn)

Виняток: оксиду SO2 в якості кислотного гідроксиду відповідає полігідрат SO2 nН2O (“сірчиста кислота H2SO3” не існує, але кислотні залишки HSO3- і SO32- присутні в солях).

При нагріванні деяких кислот протікає реальна дегідратація і утворюються відповідні кислотні оксиди:

2HAsO2 = As2O3 + H2O

H2EO3 = EO2 + H2O (E = C, Si, Ge, Se)

2HIO3 = I2O5 + H2O

2H3AsO4 = As2O5 + H2O

H2SeO4 = SeO3 + H2O

При заміні (реальної і формальної) водню кислот на метали і амфігени утворюються солі, кислотні залишки зберігають у солях свій склад і заряд. Кислоти H2SO4 і Н3РO4 в розбавленому водному розчині реагують з металами і амфігенамі, що стоять у ряді напруг лівіше водню, при цьому утворюються відповідні солі і виділяється водень (кислота HNO3 в такі реакції не вступає; нижче типові метали, крім Mg, не вказані, так як вони реагують в подібних умовах з водою):

М + H2SO4 (pasб.) = MSO4 + Н2 ^ (М = Be, Mg, Cr, Mn, Zn, Fe, Ni)

2M + 3H2SO4 (paзб.) = M2 (SO4) 3 + 3H2 ^ (M = Al, Ga)

3M + 2Н3РO4 (разб.) = M3 (PO4) 2v + 3H2 ^ (M = Mg, Fe, Zn)

На відміну від безкисневих кислот кислотні гідроксиди називають кислородсодержащими кислотами або оксокислот.

Амфотерні гідроксиди утворені елементами з амфотерні властивості. Типові амфотерні гідроксиди:

Be (OH) 2 Sn (OH) 2 Al (OH) 3 AlO (OH)

Zn (OH) 2 Pb (OH) 2 Cr (OH) 3 CrO (OH)

He утворюються з амфотерних оксидів і води, але піддаються реальної дегідратації і утворюють амфотерні оксиди:

Виняток: для заліза (III) відомий тільки метагидроксид FeO (OH), “гідроксид заліза (III) Fe (OH) 3” не існує (не отримана).

Амфотерні гідроксиди проявляють властивості основних та кислотних гідроксидів; утворюють два види солей, в яких амфотерний елемент входить до складу або катіонів солей, або їх аніонів.

Для елементів, що мають кілька ступенів окислення, діє правило: чим вище ступінь окислення, тим більш виражені кислотні властивості гідроксидів (і / або відповідних оксидів).

Солі – сполуки, що складаються з катіонів основних або амфотерних (у ролі основних) гідроксидів та аніонів (залишків) кислотних або амфотерних (у ролі кислотних) гідроксидів. На відміну від безкисневих солей, солі, розглядаються тут, називаються кислородсодержащими солями або оксосолямі. Діляться за складом катіонів та аніонів:

Середні солі містять середні кислотні залишки СО32-, NO3-, РО43-, SO42- та ін.; наприклад: К2СO3, Mg (NO3) 2, Cr2 (SO4) 3, Zn3 (PO4) 2.

Якщо середні солі отримують по реакціях за участю гідроксидів, то реагенти беруть в еквівалентних кількостях. Наприклад, сіль К2СO3 можна отримати, якщо взяти реагенти в співвідношеннях:

2КОН і 1Н2СO3, 1К2O і 1Н2СO3, 2КОН і 1СO2.

Реакції освіти середніх солей:
1)

Підстава + Кислота> Сіль + Вода
1а) основний гідроксид + кислотний гідроксид> …

2NaOH + H2SO4 = Na2SO4 + 2Н2O

Cu (OH) 2 + 2HNO3 = Cu (NO3) 2 + 2H2O

1б) амфотерний гідроксид + кислотний гідроксид> …

2Al (ОН) 3 + 3H2SO4 = Al2 (SO4) 3 + 6Н2O

Zn (OH) 2 + 2HNO3 = Zn (NO3) 2 + 2Н2O

1в) основний гідроксид + амфотерний гідроксид> …

NaOH + Al (ОН) 3 = NaAlO2 + 2Н2O (в розплаві)

2NaOH + Zn (OH) 2 = Na2ZnO2 + 2Н2O (в розплаві)

2)

Основний оксид + Кислота = Сіль + Вода
2а) основний оксид + кислотний гідроксид> …

Na2O + H2SO4 = Na2SO4 + Н2О

CuO + 2HNO3 = Cu (NO3) 2 + H2O

2б) амфотерний оксид + кислотний гідроксид> …

Al2O3 + 3H2SO4 = Al2 (SO4) 3 + 3H2O

ZnO + 2HNO3 = Zn (NO3) 2 + H2O

2в) основний оксид + амфотерний гідроксид> …

Na2O + 2Al (ОН) 3 = 2NaAlO2 + ЗН2O (в розплаві)

Na2O + Zn (OH) 2 = Na2ZnO2 + Н2О (у розплаві)

3)

Підстава + Кислотний оксид> Сіль + Вода
За) основний гідроксид + кислотний оксид> …

2NaOH + SO3 = Na2SO4 + Н2О

Ва (ОН) 2 + СO2 = ВаСO3 + Н2О

3б) амфотерний гідроксид + кислотний оксид> …

2Al (ОН) 3 + 3SO3 = Al2 (SO4) 3 + 3H2O

Zn (OH) 2 + N2O5 = Zn (NO3) 2 + H2O

Зв) основний гідроксид + амфотерний оксид> …

2NaOH + Al2O3 = 2NaAlO2 + Н2О (у розплаві)

2NaOH + ZnO = Na2ZnO2 + Н2О (у розплаві)

4)

Основний оксид + Кислотний оксид> Сіль
4а) основний оксид + кислотний оксид> …

Na2O + SO3 = Na2SO4, BaO + СO2 = ВаСO3

4б) амфотерний оксид + кислотний оксид> …

Al2O3 + 3SO3 = Al2 (SO4) 3, ZnO + N2O5 = Zn (NO3) 2

4в) основний оксид + амфотерний оксид> …

Na2O + Al2O3 = 2NaAlO2, Na2O + ZnO = Na2ZnO2

Реакції 1в, якщо вони протікають в розчині, супроводжуються утворенням інших продуктів – комплексних солей:

NaOH (конц.) + Al (OН) 3 = Na [Al (OH) 4]

КОН (конц.) + Cr (OH) 3 = К3 [Cr (ОН) 6]

2NaOH (конц.) + M (OH) 2 = Na2 [M (OH) 4] (М = Be, Zn)

КОН (конц.) + M (OH) 2 = K [M (OH) 3] (М = Sn, Pb)

Всі середні солі в розчині – сильні електроліти (диссоциируют остачі).

Кислі солі містять кислі кислотні залишки (з воднем) HCO3-, Н2РO42-, HPO42- та ін., Утворюються при дії на основні та амфотерні гідроксиди або середні солі надлишку кислотних гідроксидів, що містять не менше двох атомів водню в молекулі; аналогічно діють відповідні кислотні оксиди:

NaOH + H2SO4 (конц.) = NaHSO4 + H2O

Ва (ОН) 2 + 2Н3РO4 (конц.) = Ва (Н2РO4) 2 + 2Н2O

Zn (OH) 2 + Н3РO4 (конц.) = ZnHPO4v + 2Н2O

PbSO4 + H2SO4 (конц.) = Pb (HSO4) 2

K2HPO4 + Н3РO4 (конц.) = 2КН2РO4

Са (ОН) 2 + 2ЕO2 = Са (НЕO3) 2 (Е = С, S)

Na2EO3 + ЕO2 + H2O = 2NaHEO3 (Е = С, S)

При додаванні гідроксиду відповідного металу або амфігена кислі солі переводяться в середні:

NaHSO4 + NaOH = Na2SO4 + Н2О

Pb (HSO4) 2 + Pb (OH) 2 = 2PbSO4v + 2H2O

Майже всі кислі солі добре розчиняються у воді, дисоціюють остачі (КНСO3 = К + + HCO3-).

Основним солі містять гидроксогрупп ОН, що розглядаються як окремі аніони, наприклад FeNO3 (OH), Ca2SO4 (OH) 2, Cu2CO3 (OH) 2, утворюються при дії на кислотні гідроксиди надлишку основного гідроксиду, містить не менше двох гидроксогрупп в формульної одиниці:

Со (ОН) 2 + HNO3 = CoNO3 (OH) v + Н2О

2Ni (OH) 2 + H2SO4 = Ni2SO4 (OH) 2v + 2H2O

2Cu (OH) 2 + H2CO3 = Cu2CO3 (OH) 2v + 2H2O

Основні солі, утворені сильними кислотами, при додаванні відповідного кислотного гідроксиду переходять в середні:

CoNO3 (OH) + HNO3 = Co (NO3) 2 + Н2О

Ni2SO4 (OH) 2 + H2SO4 = 2NiSO4 + 2H2O

Більшість основних солей малорастворіми у воді; вони осідають при спільному гідролізі, якщо утворені слабкими кислотами:

2MgCl2 + Н2О + 2Na2CO3 = Mg2CO3 (OH) 2v + СO2 ^ + 4NaCl

Подвійні солі містять два хімічно різних катіона; наприклад: CaMg (CO3) 2, KAl (SO4) 2, Fe (NH4) 2 (SO4) 2, LiAl (SiO3) 2. Багато подвійні солі утворюються (у вигляді кристалогідратів) при спільній кристалізації відповідних середніх солей з насиченого розчину:

K2SO4 + MgSO4 + 6Н2O = K2Mg (SO4) 2 6Н2Ov

Часто подвійні солі менш розчинні у воді в порівнянні з окремими середніми солями.

Бінарні сполуки – це складні речовини, які не відносяться до класів оксидів, гідроксидів і солей і складаються з катіонів та безкисневих аніонів (реальних чи умовних).

Їх хімічні властивості різноманітні і розглядаються в неорганічної хімії окремо для неметалів різних груп Періодичної системи; в цьому випадку класифікація проводиться по виду аніону.

Приклади:

А) галогеніди: OF2, HF, KBr, PbI2, NH4Cl, BrF3, IF7

Б) хальгогеніди: H2S, Na2S, ZnS, As2S3, NH4HS, K2Se, NiSe

В) нітриди: NH3, NH3 H2O, Li3N, Mg3N2, AlN, Si3N4

Г) карбіду: CH4, Be2C, Al4C3, Na2C2, CaC2, Fe3C, SiC

Д) силіциди: Li4Si, Mg2Si, ThSi2

Е) гідриди: LiH, CaH2, AlH3, SiH4

Ж) пероксідьг. H2O2, Na2O2, СаO2

З) надпероксід: HO2, КO2, Ва (O2) 2

За типом хімічного зв’язку серед цих бінарних сполук розрізняють:

Ковалентні: OF2, IF7, H2S, P2S5, NH3, H2O2

Іонні: Nal, K2Se, Mg3N2, CaC2, Na2O2, KO2

Зустрічаються подвійні (з двома різними катіонами) і змішані (з двома різними аніонами) бінарні сполуки, наприклад: KMgCl3, (FeCu) S2 і Pb (Cl) F, Bi (Cl) O, SCl2O2, As (O) F3.

Всі іонні комплексні солі (крім гідроксокомплексних) також відносяться до цього класу складних речовин (хоча зазвичай розглядаються окремо), наприклад:

[Cu (NH3) 4] SO4 K4 [Fe (CN) 6] Na3 [AlF6]

[Ag (NH3) 2] Cl K3 [Fe (NCS) 6] K2 [SiF6]

До бінарним сполук відносяться ковалентні комплексні сполуки без зовнішньої сфери, наприклад [Fe (CO) 5] і [№ (СО) 4].

За аналогією зі взаємозв’язком гідроксидів і солей з усіх бінарних сполук виділяють безкисневі кислоти і солі (інші сполуки класифікують як інші).

Безкисневі кислоти містять (як і оксокислоти) рухливий водень Н + і тому виявляють деякі хімічні властивості кислотних гідроксидів (дисоціація у воді, участь в реакціях солеутворення в ролі кислоти). Поширені безкисневі кислоти – це HF, НCl, HBr, HI, HCN і H2S, з них HF, HCN і H2S – слабкі кислоти, а решта – сильні.

Приклади реакцій солеутворення:

2HBr + ZnO = ZnBr2 + Н2О

2H2S + Ва (ОН) 2 = Ba (HS) 2 + 2Н2O

2HI + Pb (OH) 2 = Pbl2v + 2Н2O

Метали і амфігени, що стоять у ряді напруг лівіше водню і не реагують з водою, вступають у взаємодію з сильними кислотами НCl, НВr і HI (у загальному вигляді НГ) в розбавленому розчині і витісняють з них водень (наведені реально протікають реакції):

М + 2НГ = мг2 + Н2 ^ (М = Be, Mg, Zn, Cr, Mn, Fe, Co, Ni)

2M + 6НГ = 2МГ3 + H2 ^ (M = Al, Ga)

Безкисневі солі утворені катіонами металів і амфігенов (а також катіоном амонію NH4 +) і аніонами (залишками) безкисневих кислот; приклади: AgF, NaCl, KBr, PbI2, Na2S, Ba (HS) 2, NaCN, NH4Cl. Виявляють деякі хімічні властивості оксосолей.

Загальний спосіб отримання безкисневих солей з одноелементними анионами – взаємодія металів і амфігенов з неметалами F2, Cl2, Br2 і I2 (у загальному вигляді Г2) і сіркою S (наведені реально протікають реакції):

2М + Г2 = 2МГ (М = Li, Na, К, Rb, Cs, Ag)

M + Г2 = мг2 (М = Be, Mg, Са, Sr, Ва, Zn, Mn, Со)

2М + ЗГ2 = 2МГ3 (М = Al, Ga, Cr)

2М + S = M2S (М = Li, Na, К, Rb, Cs, Ag)

M + S = MS (M = Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Mn, Fe, Co, Ni)

2M + 3S = M2S3 (M = Al, Ga, Cr)

Винятки:

А) Cu і Ni реагують тільки з галогенами Cl2 і Br2 (продукти МCl2, МBr2)

Б) Cr і Mn реагують з Cl2, Br2 і I2 (продукти CrCl3, CrBr3, CrI3 і MnCl2, MnBr2, MnI2)

В) Fe реагує з F2 і Cl2 (продукти FeF3, FeCl3), з Br2 (суміш FeBr3 і FeBr2), з I2 (продукт FeI2)

Г) Cu при реакції з S утворює суміш продуктів Cu2S і CuS

Інші бінарні сполуки – всі речовини цього класу, крім виділених в окремі підкласи безкисневих кислот і солей.

Способи отримання бінарних сполук цього підкласу різноманітні, найпростіший – взаємодія простих речовин (наведені реально протікають реакції):

А) галогеніди:

S + 3F2 = SF6, N2 + 3F2 = 2NF3

2P + 5Г2 = 2РГ5 (Г = F, CI, Br)

С + 2F2 = CF4

Si + 2Г2 = Sir4 (Г = F, CI, Br, I)

Б) халькогеніди:

2As + 3S = As2S3

2E + 5S = E2S5 (E = P, As)

E + 2S = ES2 (E = C, Si)

В) нітриди:

3H2 + N2 2NH3

6M + N2 = 2M3N (M = Li, Na, K)

3M + N2 = M3N2 (M = Be, Mg, Ca)

2Al + N2 = 2AlN

3Si + 2N2 = Si3N4

Г) карбіду:

2M + 2C = M2C2 (M = Li, Na)

2Be + С = Be2C

M + 2C = MC2 (M = Ca, Sr, Ba)

4Al + 3C = Al4C3

Si + С = SiC

Д) силіциди:

4Li + Si = Li4Si

2M + Si = M2Si (M = Mg, Ca)

Е) гідриди:

2M + H2 = 2MH (M = Li, Na, K)

M + H2 = MH2 (M = Mg, Ca)

Ж) пероксиди, надпероксід:

2Na + O2 = Na2O2 (згоряння на повітрі)

M + O2 = МО2 (М = К, Rb, Cs; згоряння на повітрі)

Багато з цих речовин повністю реагують з водою (частіше гідролізуються без зміни ступенів окислення елементів, але гідриди виступають як відновники, а надпероксід вступають в реакції дисмутації):

РCl5 + 4Н2O = Н3РO4 + 5НCl

SiBr4 + 2Н2O = SiO2v + 4НBr

P2S5 + 8Н2O = 2Н3РO4 + 5H2S ^

SiS2 + 2Н2O = SiO2v + 2H2S

Mg3N2 + 8H2O = 3Mg (OH) 2v + 2 (NH3 H2O)

Na3N + 4H2O = 3NaOH + NH3 H2O

Be2C + 4H2O = 2Be (OH) 2v + CH4 ^

MC2 + 2H2O = M (OH) 2 + C2H2 ^ (M = Ca, Sr, Ba)

Al4C3 + 12H2O = 4Al (OH) 3v + 3CH4 ^

MH + H2O = MOH + H2 ^ (M = Li, Na, K)

MgH2 + 2H2O = Mg (OH) 2v + H2 ^

CaH2 + 2H2O = Ca (OH) 2 + H2 ^

Na2O2 + 2H2O = 2NaOH + H2O2

2MO2 + 2H2O = 2MOH + H2O2 + O2 ^ (M = K, Rb, Cs)

Інші речовини, навпаки, стійкі по відношенню до води, серед них SF6, NF3, CF4, CS2, AlN, Si3N4, SiC, Li4Si, Mg2Si і Ca2Si.


1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (2 votes, average: 5.00 out of 5)

Класифікація та взаємозв’язок неорганічних речовин