1.2. Основные классы неорганических соединений

Все вещества в природе делятся на простые и сложные. Простые вещества состоят из атомов одного элемента, например S, O₂, Cl₂, Na, P. Простые вещества разделяют на металлы и неметаллы. Это деление основано на различиях в физических свойствах простых веществ.

В состав сложных веществ входят два или более элемента (например, Н₂О, НСl, Н₃РО₄, Na₂CO₃). Сложные вещества делятся на органические и неорганические.

Органическими принято называть соединения углерода (например, СН₃СООН - уксусная кислота, С₂Н₅ОН - этиловый спирт). Простейшие соединения углерода (СО, СO₂, Н₂СО₃ и карбонаты, HCN и цианиды, карбиды и некоторые другие) обычно рассматривают в курсе неорганической химии.

Все остальные вещества называются неорганическими (иногда - минеральными). Неорганические вещества делятся на пять главных классов: оксиды, кислоты, основания, амфотерные гидроксиды и соли. Кислородсодержащие кислоты, основания и амфотерные гидроксиды по своей природе можно объединить в самостоятельный класс гидроксидов.

Оксиды. Оксидами называются все соединения, состоящие из кислорода и какого-нибудь элемента. Если элемент образует несколько оксидов, то по числу атомов кислорода, приходящихся на атом элемента, оксиды называются таким образом: СО - монооксид углерода, СO₂ - диоксид углерода и т. д.

Некоторым оксидам соответствуют основания, а другим - кислоты. В связи с этим оксиды классифицируются на основные, кислотные и амфотерные.

Основные оксиды - оксиды, гидроксиды которых являются основаниями. Основные оксиды образуются исключительно металлами. Металлы с валентностью меньше IV, как правило, образуют основные оксиды. Только оксиды щелочных и щелочноземельных металлов непосредственно соединяются с водой, образуя растворимые в воде основания - щелочи.

Например: Na₂O + H₂O = 2NaOH, CaO + H₂O = Ca(OH)₂.

Большинство же основных оксидов не взаимодействуют с водой; соответствующие им основания получаются косвенным путем и нерастворимы в воде (прил. 3). Все основные оксиды взаимодействуют с кислотами с образованием солей, но не взаимодействуют с основаниями, например:

MgO + H₂SO₄ ® MgSO₄ +H₂O

Кислотные оксиды. Это оксиды, гидроксиды которых являются кислотами. Это главным образом оксиды неметаллов (SO₃, NO₂), хотя некоторые высшие оксиды металлов тоже являются кислотными (СrОз, Мп₂О₇). Многие кислотные оксиды непосредственно соединяются с водой, образуя кислоты:

SO₃ + H₂O ® H₂SO₄ кислотный гидроксид серы (VI) или серная кислота;

CrO₃ + H₂O ®H₂CrO₄ –кислотный гидроксид хрома (VI) или хромовая кислота.

Гидроксиды других кислотных оксидов получают косвенным путем.

Кислотные оксиды иногда называют ангидридами соответствующих кислот (например, Р₂О₅ - ангидрид фосфорной кислоты, или просто фосфорный ангидрид).

Главный отличительный признак кислотных оксидов - их способность взаимодействовать с основаниями с образованием солей. Например:

CO₂ +2NaOH ® Na₂CO₃ +H₂O.

Кислоты, как правило, не взаимодействуют с кислотными оксидами, кроме окислительно–восстановительных реакций.

Главный отличительный признак кислотных оксидов - их способность взаимодействовать со щелочами и образовывать соли.

Например:

CO₂ (оксид углерода(II)) + 2NaOH (гидроксид натрия) = Na₂CO₃ (карбонат натрия) + H₂O

Амфотерные оксиды (Аl₂О₃, Сr₂О₃, ZnO и др.) обладают одновременно свойствами кислотных и основных оксидов. Они взаимодействуют с кислотами и щелочами, образуя соли, например:

ZnO (оксид цинка(II)) + 2HCl (соляная кислота) = ZnCl₂ (хлорид цинка(II)) + H₂O

ZnO (оксид цинка(II)) + 2KOH (гидроксид калия) = K₂ZnO₂ (цинкат калия(II)) + H₂O

Все оксиды рассмотренных групп обладают свойством образовывать соли, поэтому их часто объединяют под общим названием солеобразующих оксидов.

Безразличные оксиды - оксиды, которые ни прямым, ни косвенным путем не образуют гидроксидов и не взаимодействуют ни с кислотами, ни с основаниями (например, NO, СО).

Особую группу оксидов образуют так называемые пероксиды. Это соединения некоторых металлов, которые только формально (по их составу) могут быть отнесены к классу оксидов, а по существу они являются солями пероксида водорода Н₂О₂ (например, Na₂O₂ - пероксид натрия, ВаО₂ - пероксид бария).

Большинство оксидов непосредственно или косвенным путем образуют с водой соединения, носящие название гидроксидов. Например:

CaO + H₂O = Ca(OH)₂ – основной гидроксид кальция;

SO₂ + H₂O = H₂SO₃ – кислотный гидроксид (IV) серы или сернистая кислота.

При нагревании гидроксиды, кроме гидроксидов щелочных и щелочноземельных металлов, разлагаются на оксид и воду:

Cu(OH)₂ ( t )® CuO + H₂O; H₂SO₃ ( t )® SO₂ + H₂O

Гидроксиды, в зависимости от их свойств, относят или к классу кислот, или к классу оснований. Кроме того, существуют гидроксиды, обладающие одновременно свойствами и кислот, и оснований. Они называются амфотерными гидроксидами, В соответствии с этим, оксиды и образующиеся гидроксиды, делятся на три группы: кислотные, основные и амфотерные.

Кислоты (кислотные гидроксиды). Соединяясь с водой, оксиды неметаллов образуют вещества, относящиеся к классу кислот. Такие кислоты называются кислородными (например, H₂SO₄, H₂CO₃, HNO₃) в отличие от бескислородных кислот, не содержащих кислорода (например, HCI, HF).

К классу кислотных гидроксидов относятся гидроксиды некоторых металлов в высшей степени окисления, например:

H₂Cr₂O₇ – дихромовая кислота или кислотный гидроксид Cr (VI), HMnO₄ – марганцевая кислота или кислотный гидроксид Mn (VII).

Водные растворы кислот имеют кислый вкус и окрашивают лакмус (прил. 4) и универсальную индикаторную бумагу в красный цвет. По числу атомов водорода в молекуле кислоты, способных замещаться атомами металлов, различают кислоты одноосновные (например, HNO₃), двухосновные (например, H₂SO₄) и трехосновные (например, Н₃PО₄).

Все кислоты взаимодействуют с основаниями с образованием соли и воды, например:

HNO₃ + KOH = KNO₃ + H₂O, HMnO₄ + KOH = KMnO₄ + H₂O.

Такие реакции называются реакциями нейтрализации.

Основаниями называются гидроксиды типичных металлов, взаимодействующие с кислотами с образованием солей. В состав молекулы любого основания входит атом металла и одна или несколько гидроксидных групп ОН^-. Количество гидроксидных групп у основания определяет его кислотность.

Например, NaOH, Mg(OH)₂, Bi(OH)₃. При действии кислоты с основанием гидроксидная группа OH^- замещается кислотным остатком, и таким образом получается соль (реакция нейтрализации), например: NaOH + НСl = NaCl + Н₂О

Большинство оснований нерастворимы в воде. Основания, образованные наиболее активными металлами и растворимые в воде, называются щелочами (например, NaOH, КОН). Их растворы мылкие на ощупь и окрашивают лакмусовую бумагу в синий цвет, а фенолфталеин - в розовый (прил. 4)

Амфотерные гидроксиды могут взаимодействовать как с кислотами (подобно основаниям), так и с основаниями (подобно кислотам), образуя в том и другом случае соли. Примером может служить Zn(OH)₂:

Zn(OH)₂ + 2HCl = ZnCl₂ +2H₂O; H₂ZnO₂ + 2NaOH = Na₂ZnO₂ +2H₂O,

Соли — это продукты замещения атомов водорода в кислотах атомами металла или продукты замещения гидроксогрупп в основаниях кислотными остатками. Например:

Н₃РO₄ (фосфорная кислота) → К₃РO₄ (соль -фосфат калия), Fe(OH)₂ (основание - гидроксид железа (II)) → Fе₂(SO₄)₃ (соль - сульфат железа (III)).

Формулы и названия солей наиболее распространенных кислот приведены в табл. 2.

Таким образом, молекулы всех солей состоят из кислотных остатков и металла. Большинство солей - твердые кристаллические вещества. Различают три главных вида солей: нормальные, кислые и основные.

Таблица 2. Соли наиболее часто встречающихся кислот

Название кислоты	Формула	Название соли
Азотистая	HNO2	Нитрит
Азотная	HNO3	Нитрат
Борная	H3BO3	Борит
Бромоводородная	HBr	Бромид
Двухромовая	H2Cr2O7	Бихромат
Кремневая	H2SiO3	Силикат
Марганцовая	HMnO4	Перманганат
Серная	H2SO4	Сульфат
Сернистая	H2SO3	Сульфит
Сероводородная	H2S	Сульфид
Соляная	HCl	Хлорид
Тиосерная	H2S2O3	Тиосульфат
Угольная	H2CO3	Карбонат
Уксусная	CH3COOH	Ацетат
Фосфорная	H3PO4	Фосфат
Фтороводородная	HF	Фторид
Хлорноватая	HClO3	Хлорат
Хлорноватистая	HClO	Гипохлорит
Хромовая	H2CrO4	Хромат
Цианистоводородная (синильная)	HCN	Цианид
Хлорная	HClO4	Перхлорат

Нормальные соли – продукты полного замещения атомов водорода в молекулах кислот на атомы металлов или гидроксидных групп в молекулах оснований на кислотные остатки. Например:

H₃PO₄ + 3NaOH® Na₃PO₄ + 3H₂O; Cu(OH)₂ + 2HNO₃® Cu(NO₃)₂ + 2H₂O.

Кислые соли – продукты неполного замещения атомов водорода в кислотах на атомы металлов. Кислые соли содержат в своем составе водород, способный замещаться металлом. Например: KH₂PO₄ – дигидрофосфат калия, NaHSO₄ - гидросульфат натрия. Кислые соли образуются двух или трехосновными кислотами.

Основные соли – продукты неполного замещения гидроксидных групп в основаниях на кислотные остатки. Например, CuOHCl – гидроксохлорид меди (II), (CuOH)₂CO₃ – гидроксокарбонат меди (II).

Названия кислых и основных солей. Число незамещенных атомов водорода в составе кислой соли обозначается с помощью греческих приставок: два – дигидро; три – тригидро; четыре – тетрагидро и т.п. Например, Ca(H₂PO₄)₂ –дигидрофосфат кальция, MgHPO₄ – гидроортофосфат магния. Число незамещенных групп OH^- в составе основной соли обозначается аналогично: MgOHCl – гидроксохлорид магния; (BaOH)₂SO₄ - гидроксосульфат бария; [Al(OH)₂]₂SO₄ –дигидроксосульфат алюминия.

Пример 1. Какие из соединений, формулы которых CaO, H₂O, KOH, CuO, HCl, будут реагировать между собой при обычных условиях? Напишите уравнения возможных реакций.

Решение. Определим, к какому классу неорганических соединений относятся вышеприведенные вещества, назовем их:

CaO — оксид кальция (основной оксид);

H₂O — вода;

KOH — гидроксид калия (сильное основание щелочь);

CuO — оксид меди(II) (основной оксид);

HCl — хлороводородная кислота, водный раствор - соляная кислота.

Возможные реакции определяем, исходя из свойств соединений. Основные оксиды CaO и CuO реагируют с HCl; CaO реагирует с H₂O; основание KOH реагирует с кислотой. В результате имеем

CaO + H₂O = Ca(OH)₂ - гидроксид кальция,

CaO + 2HCl = CaCl₂ + H₂O - хлорид кальция,

CuO + 2HCl = CuCl₂ + H₂O - хлорид меди,

KOH + HCl = KCl + H₂O - хлорид калия.

Пример 2. Как получить гидроксид бария, исходя из бария, кислорода и воды? Напишите уравнения реакций. Можно ли подобным путем получить гидроксид?

Решение. При обычных условиях барий (активный щелочноземельный металл) реагирует с кислородом воздуха. Полученный оксид бария хорошо растворяется в воде, образуя гидроксид бария:

а) 2Ba + O₂ = 2BaO;

б) BaO + H₂O = Ba(OH)₂.

Марганец при обычных условиях с O₂ не реагирует (только при нагревании). Компактный металл покрывается устойчивой оксидной пленкой MnO. Но MnO с водой не реагирует. Поэтому при вышеуказанных условиях Mn(OH)₂ получить нельзя.

Пример 3. Напишите уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения:

MnO→MnCl₂→Mn(OH)₂→MnSO₄.

Решение. При обычных условиях получим:

а) MnO + 2HCl = MnCl₂ + H₂O;

б) MnCl₂ + 2KOH = Mn(OH)₂¯ + 2KCl;

в) Mn(OH)₂ + H₂SO₄ (разб.) = MnSO₄ + 2H₂O.

Названия исходных веществ и продуктов реакции следующие:

MnO - оксид марганца (II), MnCl₂ - хлорид марганца (II), Mn(OH)₂ - гидроксид марганца (II), MnSO₄ - сульфат марганца, HСl - соляная кислота, KOH - гидроксид калия, KCl - хлорид калия, H₂SO₄ - серная кислота.