Лекция 2 Классы неорганических соединений (1)

Простые вещества состоят из атомов одного и того же элемента.
Простые вещества-металлы при обычных условиях представляют собой твердые вещества (кроме жидкой ртути Hg) с металлической кристаллической решеткой, т.е. атомы металлов в простых веществах связаны друг с другом металлической связью. Формулы простых веществ металлов совпадают с символами соответствующих элементов: Fe (железо), Cu (медь), Al (алюминий).
Простые вещества-неметаллы при обычных условиях находятся в разных агрегатных состояниях. Среди них есть газообразные вещества, состоящие из двухатомных молекул: водород H2, кислород O2, азот N2, хлор Cl2. Из двухатомных молекул также состоят жидкое простое вещество бром Br2 и твердое простое вещество иод J2.
В молекулах всех перечисленных веществ атомы связаны друг с другом прочными неполярными ковалентными связями.
Благородные газы — группа химических элементов 8-й группы ПСХЭ со схожими свойствами: при нормальных условиях они представляют собой одноатомные газы без цвета и запаха с очень низкой химической реактивностью. К благородным газам относятся: гелий (Не), неон (Ne), аргон (Ar), криптон (Kr), ксенон (Хе) и радиоактивный радон (Ra). Благородные газы химически неактивны и способны участвовать в химических реакциях лишь при экстремальных условиях.

Оксиды
Оксидами называют соединения, состоящие из двух элементов, одним из которых является кислород.
ЭxOy – общая формула
Название = «оксид» + название элемента (в род. падеже) + валентность элемента (римскими цифрами). Например, СО – оксид углерода (II).
Оксиды бывают:
1) несолеобразующие или индифферентные (CO, NO, N2O), они не
образуют солей ни с кислотами, ни со щёлочами;
2) солеобразующие (Na2O, CaO, CdO, Cl2O, B2O3, CO2, ZnO, Al2O3, Cr2O3):
а) основные (их гидраты – основания);
б) кислотные (их гидраты − кислоты);
в) амфотерные (их гидраты проявляют свойства как кислот, так
и оснований).

Основные оксиды
К основным оксидам относятся оксиды щелочных и щелочно-земельных металлов, а также многие оксиды других металлов со степенью окисления +1, +2, +3.
Структурная формула: Са=О оксид кальция
Они взаимодействуют с водой с образованием оснований:
BaO + H2O = Ba(OH)2.
Непосредственно с водой при обычной температуре реагируют только оксиды металлов I и II групп главных подгрупп (кроме оксидов бериллия и магния) периодической системы Д. И. Менделеева.
Основные оксиды взаимодействуют с кислотными оксидами и кислотами, образуя соли:
CaO + CO2 = CaCO3;
CuO + 2 HCl = CuCl2 + H2O.

Кислотные оксиды
Кислотные оксиды образуют неметаллы (Cl2O, B2O3, CO2, N2O5, SO3, Cl2O7 и др.), а также металлы со степенью окисления +5, +6, +7 (V2O5, CrO3, Mn2O7, WO3).
Структурная формула: оксид серы (VI)
В оксидах атомы кислорода связаны только с атомом элемента и не связаны друг с другом.
Многие кислотные оксиды непосредственно взаимодействуют с водой, образуя кислоты:
SO2 + H2O = H2SO3;
CrO3 + H2O = H2CrO4.
С щёлочами кислотные оксиды образуют соль и воду:
N2O5 + 2 NaOH = 2 NaNO3 + H2O.

Амфотерные оксиды
Амфотерные оксиды образуют металлы, имеющие степени окисления +3, +4, иногда +2. К амфотерным оксидам относятся, например, BeO, ZnO, Al2O3, Cr2O3, SnO2, PbO2, MnO2 и др. Они характеризуются реакциями солеобразования и с кислотами, и с основаниями, так как в зависимости от условий проявляют как основные, так и кислотные свойства.
Структурная формула: оксид алюминия
Например, как основный оксид Cr2O3 реагирует с кислотой:
Cr2O3 + 6 HCl = 2 CrCl3 + 3 H2O,
как кислотный – с щёлочью:
Cr2O3 + 2 NaOH = 2 NaCrO2 + H2O.

Если элемент образует несколько оксидов, то по мере увеличения его степени окисления усиливается кислотный характер оксида.
Например,
+2 +3 +6
CrO, Cr2O3, CrO3
основный, амфотерный, кислотный
К оксидам не относятся соединения фтора с кислородом, которые следует называть не оксидами, а фторидами кислорода: OF2. Степень окисления кислорода равна +2.
Нормальными оксидами также не являются также соединения, в которых степень окисления кислорода равна -1. Они называются пероксидами.

Большинство оксидов непосредственно соединяется с водой, в результате образуются гидраты оксидов (гидроксиды).
Оксид + Вода = Гидрат оксида (гидроксид)
Некоторые оксиды с водой не взаимодействуют, однако большинству этих оксидов тоже соответствуют гидроксиды, которые можно получить косвенным путем.
При взаимодействии основных оксидов с водой образуются основания.

Гидроксиды
Гидроксиды бывают:
1) основные (основания);
2) кислотные (кислоты);
3) амфотерные (амфолиты).
Основания
Основания – это сложные вещества, состоящие из атома металла и гидроксильных групп (ОН-).
Ме(ОН)х – общая формула,
где х – число ОН-групп, равное валентности металла.
Название = «гидроксид» + название металла (в род. падеже) + валентность метала (римскими цифрами).
Например, Fe(OH)3 – гидроксид железа (III)

Основания диссоциируют (распадаются) на ионы металла и гидроксильные ионы.
Ва(ОН)2=Ва2+ + 2ОН- гидроксид бария
КОН = К+ + ОН-
гидроксид калия
В зависимости от того, сколько гидроксильных групп содержит основание, они делятся на:
1) однокислотные (гидроксид калия);
2) двухкислотные (гидроксид железа (II));
3) трехкислотные (гидроксид алюминия) и т.д.
Другая классификация оснований основана на различии в растворимости этих соединений в воде.

Растворимые в воде основания называются щелочами (это гидроксиды щелочных и щелочно-земельных металлов) они также называются сильными основаниями, так как в водных растворах нацело диссоциируют на ионы металла и гидроксильные группы.
Ва(ОН)2 → Ва2+ + 2ОН-
гидроксид бария
Структурная формула:
КОН → К+ + ОН-
Структурная формула: K-О-Н
Раствор любой щелочи характеризуется высокой концентрацией гидроксид-ионов, т.е. представляет собой сильнощелочную среду. В растворах щелочей лакмус окрашивается в синий цвет, метилоранж – в желтый и ф/ф – в малиновый.
К нерастворимым основаниям относятся Fe(OH)2, Fe(OH)3 и т.д. Все они (а также NH4OH) являются слабыми основаниями, т.к. частично диссоциируют на ионы.
Fe(OH)2=FeOH+ + OH-
FeOH+ =Fe2+ + OH-

Химические свойства оснований
Основания образуют с кислотными оксидами соль и воду:
Ba(OH)2 + CO2 = BaCO3 + H2O.
Основания взаимодействуют с кислотами с образованием соли и воды (реакция нейтрализации):
2 NaOH + H2SO4 = Na2SO4 + 2 H2O.
При действии оснований на растворы солей получаются новые соль и основание, при этом одно из полученных веществ должно выпадать в осадок:
2 KOH + CuSO4 = Cu(OH)2↓ + K2SO4;
Ca(OH)2 + Na2CO3 = CaCO3↓ + 2 NaOH.
Нерастворимые в воде основания, так же как и растворимые, взаимодействуют с кислотами:
Fe(OH)3 + 3 HCl = FeCl3 + 3 H2O
и разлагаются при нагревании:
t
2 Fe(OH)3 = Fe2O3 + 3 H2O.

Кислоты
При взаимодействии кислотных оксидов с водой образуются кислоты.
Кислоты – сложные вещества, состоящие из атомов водорода и кислотного остатка.
HxAc – общая формула,
где x – число атомов водорода, Ас – кислотный остаток.
серная кислота дихромовая кислота
Классификация кислот
По числу атомов водорода кислоты делятся на:
1) одноосновные (HNO3);
2) двухосновные (H2SO4, H2CO3);
3) трехосновные (H3PO4).

По содержанию кислорода кислоты бывают:
бескислородные (HCl, HBr, HCN);
кислородсодержащие (H2SO4, H2CO3 и т.д.).
Кислоты диссоциируют на ионы водорода и ион кислотного остатка.
HNO3=H+ + NO3-
H2SO4 =2H+ + SO42-
Если кислота в водном растворе полностью диссоциирует на ионы, то она называется сильной:
HCl →H+ + Cl-
H2SO4→2H+ + SO42-
Другие кислоты лишь в незначительной степени обратимо диссоциируют в водных растворах – слабые кислоты:
HNO2=H+ + NO2-
Сильные кислоты: H2SO4, HCl, HClO3, HClO4, HNO3, H2CrO4.
Слабые кислоты: HF, H2S, HCN, H2CO3, H2SiO3, HNO2, H3PO4, H2SO3.

Растворы сильных кислот характеризуются высокой концентрацией ионов водорода, т.е. представляют собой сильнокислую среду. Растворы слабых кислот – слабокислотные среды, так как концентрация ионов водорода в них невелика. И лакмус, и метилоранж в растворах кислот окрашиваются в красный цвет; интенсивность окраски зависит от силы кислоты.
Названия самих кислот происходит от русских названий кислотообразующих элементов + окончание (если в высшей степени окисления, то -ая, если в низшей, то -истая). Названия кислотных остатков формируются от латинских названий элементов.
Если кислотообразующий элемент находится в высшей степени окисления, то добавляется суффикс -ат, если же в низшей степени, то -ит.
Если элемент, находясь в одной и той же степени окисления, образует несколько кислот, содержащих по одному атому данного элемента в молекуле, то название кислоты, содержащей наименьшее число атомов кислорода, снабжается приставкой мета-, а название кислоты с наибольшим числом атомов кислорода − приставкой орто-.
Если молекула кислоты содержит два атома кислотообразующего элемента, то перед её названием помещается числительная приставка дву- или ди-.

Химические свойства кислот
Кислоты взаимодействуют с основаниями - реакция нейтрализации. Нейтрализация – это взаимодействие между кислотой и основанием, в результате которого образуется соль и вода. Ионы водорода соединяются с гидроксильными группами.
H+ + Cl- + К+ + ОН-= КCl + H2O
Кислоты реагируют с металлами:
Zn + H2SO4(разб) = ZnSO4 + H2
Если же кислота концентрированная, то водород не выделяется:
Zn + 2H2SO4(конц) = ZnSO4 + SO2 + 2H2O
Кислоты реагируют с основаниями и основными оксидами:
H2SO4 + Mg(OH)2 = MgSO4 + 2 H2O;
2 HNO3 + CaO = Ca(NO3)2 + H2O.
При взаимодействии кислот с солями образуются новые соль и кислота:
2 HCl + CaCO3 = CaCl2 + H2CO3 (CO2 + H2O);
H2SO4 + BaCl2 = BaSO4↓ + 2 HCl.

Амфолиты
Амфолиты – амфотерные гидроксиды – соединения, проявляющие свойства кислот и оснований в зависимости от среды (Zn(OH)2, Al(OH)3, Cr(OH)3, Sn(OH)2, Sn(OH)4, Pb(OH)2).
Амфотерные гидроксиды способны реагировать как с кислотами, так и с щёлочами. С кислотами они реагируют как основания, а с щёлочами – как кислоты. Чтобы установить амфотерность гидроксида, следует провести две реакции взаимодействия его с кислотой и со щелочью. Если обе реакции имеют место, то гидроксид амфотерный.
Например, при взаимодействии с азотной кислотой Cr(OH)3 ведет себя как основание:
Cr(OH)3 + 3 HCl = CrCl3 + 3 H2O;
А при взаимодействии с основанием, как кислота:
Cr(OH)3 + 3 NaOH (разб.) = Na3[Cr(OH)6];
Cr(OH)3 + NaOH (конц.) = NaCrO2 + 2 H2O.

Соли
Соли - это сложные вещества, состоящие из ионов металла и кислотного остатка.
Соли бывают:
средние (Al(NO3)3 – нитрат алюминия, ZnSO4 – сульфат цинка, КCl – хлорид калия);
2) кислые – продукты неполного замещения ионов водорода на ионы металла в молекулах многоосновных кислот (NaH2PO4 – дигидрофосфат натрия, KHCO3 – гидрокарбонат калия);
3) основные – продукты неполного замещения гидроксильных ионов в молекулах многокислотных оснований( СuOHCl – хлорид гидроксомеди (II), Fe(OH)2NO3 – нитрат дигидроксожелеза (III));
4) двойные (2 разных катиона и один анион) – KNaSO4;
5) смешанные (катион одного металла и два разных аниона) – CaOCl2 – хлорид-гиполорит кальция.
Полное
замещение
Неполное
замещение

Химические свойства солей
Соли взаимодействуют с кислотами и щёлочами:
BaCl2 + H2SO4 = BaSO4↓ + 2 HCl;
2 KOH + CuSO4 = Cu(OH)2↓ + K2SO4.
При взаимодействии двух растворимых в воде солей образуются две новые соли, одна из которых должна выпадать в осадок:
Ba(NO3)2 + K2SO4 = 2 KNO3 + BaSO4↓.
Реакция металла с солью менее активного металла приводит к образованию соли и металла. Исходная соль должна быть растворимой в воде, а металл − находиться в ряду стандартных электродных потенциалов левее вытесняемого из соли металла:
Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu.

Получение солей
Средние соли могут быть получены многими способами:
1) взаимодействием металла с неметаллом
2 Na + Cl2 = 2 NaCl;
2) взаимодействием металла с кислотой
Mg + 2 HCl = MgCl2 + H2;
3) взаимодействием металла с солью
Cu + 2AgNO3 = 2 Ag + Cu(NO3)2;
4) взаимодействием основного оксида с кислотным оксидом
CaO + CO2 = CaCO3;
5) взаимодействием основания с кислотой
Zn(OH)2 + 2 HNO3 = Zn(NO3)2 + 2 H2O;

6) взаимодействием соли с солью
Pb(NO3)2 + Na2SO4 = PbSO4↓ + 2 NaNO3;
7) взаимодействием основного оксида с кислотой
CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O;
8) взаимодействием кислотного оксида с основанием
P2O5 + 6 NaOH = 2 Na3PO4 + 3 H2O;
9) взаимодействием щёлочи с солью
Ba(OH)2 + K2CO3 = BaCO3↓ + 2 KOH;
10) взаимодействием кислоты с солью
H2SO4 + BaCl2 = BaSO4↓ + 2 HCl.

Кислые соли могут быть получены в кислой среде:
1) взаимодействием основания с кислотой (избыток)
NaOH + H3PO4 = NaH2PO4 + H2O;
2) взаимодействием средней соли с кислотой (избыток)
Na3PO4 + 2 H3PO4 = 3 NaH2PO4.
Основные соли могут быть получены в щелочной среде:
1) взаимодействием кислоты с основанием (избыток)
H2SO4 + 2 Cu(OH)2 = (CuOH)2SO4 + 2 H2O;
2) взаимодействием средней соли с щёлочью (недостаток)
2 CuSO4 + 2 NaOH = (CuOH)2SO4 + Na2SO4.
Превращение кислых и основных солей в средние происходит следующими способами:
1) реакцией между кислой солью и щёлочью
NaHSO3 + NaOH = Na2SO3 + H2O;
Ca(H2PO4)2 + 2 Ca(OH)2 = Ca3(PO4)2 + 4 H2O.
2) реакцией между основной солью и кислотой
(CuOH)2SO4 + H2SO4 = 2 CuSO4 + 2 H2O.