Материалы для изучения темы "Неорганические соединения"

Взаимосвязь между классами неорганических соединений (возможность получения одних веществ из других)

Между классами неорганических веществ существуют родственные связи, которые иначе называются генетическими:

Металл		Неметалл
¯		¯
Основный оксид		Кислотный оксид
¯		¯
Основание		Кислота
¯		¯
Соль		Соль

Зная генетические связи, можно легко осуществлять химические реакции и переходить от одного класса к другому. Металлы и неметаллы образуют похожие генетические ряды.

Генетический ряд металла:

Среди металлов можно выделить две разновидности рядов:
1. Генетический ряд, в котором в качестве основания выступает щёлочь. Этот ряд можно представить с помощью следующих превращений:

Металл ® основный оксид ® щёлочь ® соль

Например,  генетический ряд калия

K à K₂O à KOH à KCl

4K + O₂ → 2K₂O

K₂O + H₂O → 2KOH

KOH + HCl → KCl + H₂O

2. Генетический ряд, где в качестве основания выступает нерастворимое основание, тогда ряд можно представить цепочкой превращений:

Металл ® основный оксид  ® соль ®  нерастворимое основание ® основный оксид ® металл

Например, генетический ряд меди:

Cu à CuO à CuCl₂ à Cu(OH)₂ à CuO à Cu

2Cu + O₂ → 2CuO

CuO + 2HCl → CuCl₂ + H₂O

CuCl₂ + 2NaOH → Cu(OH)₂↓ + 2NaCl

Cu(OH)₂ → CuO + H₂O ― Q

CuO + CO → Cu + CO₂

Генетический ряд неметалла:

Среди неметаллов также можно выделить  также две разновидности рядов:
1. Генетический ряд неметаллов, где в качестве звена ряда выступает растворимая кислота.  Цепочку превращений можно представить в следующем виде:

Неметалл  ®кислотный оксид ® растворимая кислота ® соль.

Например, генетический ряд фосфора:

P à P₂O₅ à H₃PO₄ à Na₃PO₄

4P + 5O₂ → 2P₂O₅

P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄

H₃PO₄ + 3NaOH → Na₃PO₄ + 3H₂O

2. Генетический ряд неметаллов, где в качестве звена ряда выступает нерастворимая кислота :

неметалл ® кислотный оксид  ® соль ® кислота ® кислотный оксид ® неметалл

Например, генетический ряд кремния:

Si à SiO₂ à Na₂SiO₃ à H₂SiO₃ à SiO₂  à Si

Si + O₂ → SiO₂

SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O

Na₂SiO₃ + 2HCl → H₂SiO₃↓ + 2NaCl

H₂SiO₃ → SiO₂ + H₂O ― Q кДж

SiO₂ + 2Mg → Si + 2MgO

Между этими генетическими рядами, в свою очередь, также существуют родственные связи (смотрим стрелки в центре схемы), что позволяет переходить от соединений металла к соединениям неметалла и наоборот.

Знание генетических связей позволяет осуществлять большинство химических реакций и записывать их уравнения.

Кислоты бывают бескислородные и кислородсодержащие

А) Кислородные кислоты (содержат в кислотном остатке кислород). HNO₃, H₂SO₄, H₃PO₄, и др.

Б) Бескислородные (в кислотном остатке нет кислорода). HCl, HCN, H₂S и др.

Кроме того, по числу катионов водорода, которые образует кислота при диссоциации, кислоты разделяют на:

А) Одноосновные

HNO₃; HCl; HBr; HSCN;

Б) Двухосновные

Н₂SO₄; H₂SO₃; H₂CrO₄; H₂S;

В) Трѐхосновные

H₃PO₄

Номенклатура исходит от названия характеристического атома кислоты:

А) Бескислородные называют 

НCl – хлороводородная (соляная)

HF – фтороводородная (плавиковая)

H₂S – сероводородная

HCN – циановодородная (синильная)

Б) Кислородные называют

(характеристический атом + -ная, -евая, -овая):

HNO₃ – азотная

H₃PO₄ – фосфорная

Если один и тот же элемент образует несколько кислородных кислот, то название дают с прибавлением окончаний -ная, -оватая, -истая, -оватистая, по мере понижения степени окисления характеристического элемента:

HClO₄ – хлорная

HClO₃ – хлорноватая

HClO₂ – хлористая

HClO – хлорноватистая

Химические свойства: 

кислоты окрашивают индикаторы - лакмус, универсальный, метиловый оранжевый, – в красный цвет.

А) Реагируют с металлами, стоящими в ряду напряжений левее H:

2HCl + Zn → ZnCl₂ + H₂↑

H₂SO₄ + Fe → FeSO₄ + H₂↑

Б) Азотная и концентрированная серная взаимодействуют с большинством металлов, но водород не выделяется

4HNO_{3 (конц.)} + Cu → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ +2H₂O

8HNO_{3 (разб.)} + 3Mg → 3Mg(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O

2H₂SO₄ + 2Ag → Ag₂SO₄ + SO₂↑ + 2H₂O В) С основными оксидами и основаниями.

2HCl + Na₂O → 2NaCl + H₂O

HCl + NaOH → NaCl + H₂O

2HNO₃ + CuO → Cu(NO₃)₂ + H₂O

2HNO₃ + Cu(OH)₂ → Cu(NO₃)₂ + 2H₂O

Г) Реагируют с солями более слабых и более летучих кислот:

«Вытеснительный» ряд кислот

H₂SO₄, HCl (HNO₃, H₃PO₄) , H₂SO₃, H₂CO₃, H₂S, H₂SiO₃

 

H₂SO₄ + CuCl₂ → 2HCl + CuSO₄

2HCl + K₂CO₃ → 2KCl + CO₂ + H₂O

Настоящие оксиды  Э₂О_n делятся на следующие группы:

1) Основные оксиды (солеобразующие),  им соответствуют основания: K₂O → KOH щѐлочь

Na₂O → NaOH щѐлочь

CaO → Ca(OH)₂ щѐлочь

FeO → Fe(OH)₂↓

CuO → Cu(OH)₂↓

 Основные оксиды реагируют с кислотами и кислотными оксидами :

CaO + CO₂ → CaCO₃

CaO + 2HCl → CaCl₂ + H₂O

Оксиды щелочных или щелочноземельных металлов растворяются в воде, образуя щѐлочь:

K₂O + H₂O → 2KOH

BaO + H₂O → Ba(OH)₂

2)          Кислотные (солеобразующие), этим оксидам соответствуют кислоты: SO₃ → H₂SO₄

N₂O₅ → HNO₃

Cl₂O₇ → HClO₄

Кислотные оксиды почти все растворяются в воде, образуя кислоту. Реагируют с основными оксидами и основаниями:

SO₃ + H₂O → H₂SO₄

CO₂ + H₂O → H₂CO₃

N₂O₅ + K₂O → 2KNO₃

Cl₂O₇ + Li₂O → 2LiClO₄

CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓+ H₂O

SO₂ + 2NaOH → Na₂SO₃ + H₂O

3)          Амфотерные (солеобразующие). Им соответствуют гидроксиды с двойственными свойствами:

ZnO → Zn(OH)₂ ↔ H₂ZnO₂

Al₂O₃ → Al(OH)₃ ↔ H₃AlO₃

Cr₂O₃ → Cr(OH)₃ ↔ H₃CrO₃

 В зависимости от окружающей среды амфотерные оксиды реагируют:

В кислой среде как основные:

ZnO + 2HCl → ZnCl₂ + H₂O

 В щелочной среде как кислотные: Al₂O₃ + 2NaOH → 2NaAlO₂ + H₂O

ZnO + 2NaOH → Na₂ZnO₂ + H₂O

Оксиды d-металлов в зависимости от степени окисления могут быть основными, амфотерными и кислотными: 

 +2

CrO – оксид хрома (ІІ) основный, Cr(OH)₂↓

+3

Cr₂O₃ – оксид хрома(ІІІ)  амфотерный, Cr(OH)₃ ↔ H₃CrO₃

+6

CrO₃ – оксид хрома (VІ)  кислотный, H₂CrO₄ – сильная кислота

4) Безразличные или индифферентные (несолеобразующие)

Они не образуют ни кислот, ни оснований и неохотно вступают в химические реакции:

CO – оксид углерода (ІІ)

N₂O – оксид азота (І)

Cl₂O – оксид хлора (І)

Оксиды металлов по физическим свойствам – твѐрдые порошкообразные вещества или кристаллы различного цвета:

MgO – белый

Cu₂O – оранжевый

MnO₂ – чѐрный

CuO – чѐрный

Cr₂O₃ – зелѐный

Fe₂O₃ – красно-коричневый

Оксиды неметаллов обычно газы или летучие жидкости и очень редко твѐрдые вещества:

CO₂, SO₂, N₂O, NO₂ – газы

H₂O, SO₃, N₂O₃ – жидкости

P₂O₅ – твѐрдый

Основания  Ме (ОН)n

Основания по современной номенклатуре называются гидроксидами металлов:

NaOH гидроксид натрия

КОН гидроксид калия

Fe(OH)₂ гидроксид железа (+2)

Fe(OH)₃ гидроксид железа (+3)

Сохраняются и исторические названия – едкий натр, едкое кали, гашѐная известь. Число гидроксогрупп называется кислотностью основания, т.е. способностью данного основания нейтрализовывать кислоты:

NaOH однокислотное

Ва(ОН)₂ двухкислотное

Fe(OH)₃ трѐхкислотное

а) Растворимые в воде или щёлочи – гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов (сюда относятся также ТlОН и газообразное основание NH₃). 

б) Гидроксиды прочих металлов (в низших степенях окисления)  или нерастворимые  основания: 

Сu(OH)₂ , Fe(OH)₂ , Fe(OH)₃ 

в) Амфотерные гидроксиды – очень слабые электролиты, при диссоциации одновременно образуют катионы водорода Н⁺ и гидроксиданионы  ОН⁻. Это Al(OH)₃ , Be(OH)₂ , Zn(OH)₂ ,Cr(OH)₃. 

Основания кристаллические вещества различного цвета и растворимости (NH₃ – газ). Щѐлочи – мылкие на ощупь, изменяют окраску индикаторов. 

Химические свойства:

а) Нерастворимые основания разлагаются при нагревании:

Cu(OH)₂ → CuO + H₂O 2Fe(OH)₃ → Fe₂O₃ + 3H₂O

б) Щелочи изменяют окраску индикатора: лакмус синеет, универсальный индикатор синеет, фенолфталеин краснеет т.к. щѐлочи диссоциируют:

КОН DК⁺ + ОН⁻

Ва(ОН)₂ D Ва²⁺ + 2ОН⁻ NH₃ • H₂O D NH₄⁺ + OH⁻

 в) Щелочи реагируют с растворами солей: 2NaOH + CuSO₄ → Na₂SO₄ + Cu(OH)₂↓

Ва(ОН)₂ + Na₂SO₄ → 2NaOH + BaSO₄↓

г) Все основания реагируют с кислотами и кислотными оксидами:

Са(ОН)₂ + 2НСl → CaCl₂ + 2H₂O

Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O

Cu(OH)₂ + 2HCl → CuCl₂ + 2H₂O

Cu(OH)₂ + SO₃ → CuSO₄ + H₂O

Взаимодействие оснований с кислотами называется реакцией нейтрализации, которая сводится к следующему уравнению:

ОН⁻ + Н⁺ → НОH

д) Амфотерные гидроксиды взаимодействуют и с кислотами, и щелочами:

Zn(OH)₂ + 2HCl → ZnCl₂ + 2H₂O

Zn(OH)₂ + 2NaOH → Na₂ZnO₂ + 2H₂O

Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O

Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄]

Соли

Средние или нормальные

NaC l DNa⁺ + Cl⁻

K₃PO₄ D 3K⁺ + PO₄³⁻

Кислые – образуются только многословными кислотами, если для реакции нейтрализации основание взято в недостатке:

H₂SO₄ + KOH → KHSO₄+ H₂O

Кислые соли диссоциируют ступенчато:

KHSO₄ D K⁺ + HSO₄⁻ D K⁺ + H⁺ + SO₄²⁻

В названиях кислых солей указывается число атомов водорода в анионе:

KHSO₄ – гидросульфат калия

Na₂HPO₄ – дигидрофосфат натрия

Na₂HPO₄ – гидрофосфат натрия

Основные – образуются многокислотными основаниями, если для реакции нейтрализации кислота взята в недостатке:

Cа(ОН)₂ + НСl → Ca(OH)Cl + H₂ O

В названии основных солей указывается число гидроксогрупп: Al(OH)₂Cl – дигидроксохлорид алюминия Са(OH)Cl – гидроксохлорид кальция.

Двойные соли – образованы несколькими металлами и одной кислотой:

KAl(SO₄)₂ – сульфат калия алюминия

(NH₄)₂Fe(SO₄)₂ – сульфат аммония железа (II)

Диссоциируют двойные соли обычно 

KAl(SO₄)₂ D K⁺ + Al³⁺ + 2SO₄²⁻

Комплексные соли – образованы комплексными ионами:

K₄[ (Fe(CN)₆)] – гексаферрицианид калия

K₃ [(Fe(CN)₆)] – гексаферроцианид калия

[(Cu(NH₃)₄)]SO₄ – сульфат тетраамминмеди Комплексные соли диссоциируют ступенчато:

K₃(Fe(CN)₆) D3K⁺ + Fe(CN)₆³⁻ D3K⁺ + Fe³⁺ + 6CN⁻

Химические свойства: 

Реагируют с металлами, стоящими в ряду напряжений левее металла в составе соли

Fe + CuSO₄ → Cu + FeSO₄

Cu + 2AgCl → 2 Ag + CuCl₂

Со щелочами реагируют соли тяжелых металлов (а также Be, Al, Ti):

3NaOH + FeCl₃ → 3NaCl + Fe(OH)₃↓

2KOH + CuSO₄ → K₂SO₄ + CuCl₂

С кислотами в соответствии с «вытеснительным рядом кислот»:

H₂SO₄, HCl (HNO₃, H₃PO₄ ) , H₂SO₃, H₂CO₃, H₂S, H₂SiO₃

                

H₂SO₄ + 2KCl → 2HCl + K₂SO₄

2HNO₃ + CaCO₃ → H₂O + CO₂ + Ca(NO₃)₂

Реакция может идти против этого правила, если новая соль выпадает в осадок:

H₃PO₄ + AlCl₃ → AlPO₄↓ + 3HCl

Реагируют друг с другом, если при этом образуется осадок (таблица растворимости):

AgNO₃ + KCl → AgCl↓ + KNO₃

3BaCl₂ + Al₂(SO₄)₃ → 3BaSO₄↓ + 2AlCl₃

Очень важным свойством некоторых солей является их гидролиз: ионообменная реакция соли с водой, ведущая к образованию новых малодиссоциированных ионов или веществ. 

Выделяют три случая гидролиза:

Соли сильных оснований и слабых кислот гидролизуются по аниону с образованием щелочной среды (карбонаты, силикаты, сульфиды):

K₂CO₃ D 2K⁺ + CO₃²⁻

                                 + HOH D H⁺ + OH⁻

H+ + CO32−→ HCO3−

_____________________________________________________

K₂CO₃ + HOH → 2K⁺ + HCO₃⁻ + OH⁻

                                                                                         щелочная среда

Соли слабых оснований и сильных кислот гидролизуются по катиону с образованием кислотной среды  (сульфаты, хлориды, нитраты).

AlCl₃ D Al³⁺ + 3Cl⁻                                  + HOH D H⁺ + OH⁻

Al³⁺ + OH⁻ → AlOH²⁺

__________________________________ AlCl₃ + HOH → AlOH²⁺ 3Cl⁻ + H⁺ 

                                                                                       кислая среда

соли, образованные слабыми основаниями и слабыми кислотами, подвергаются полному гидролизу (разрушаются водой):

Al₂S₃ D 2Al³⁺ + 3S²⁻ 6HOH D 6H⁺ + 6OH⁻  

_______________________________ Al₂S₃ + 6HOH → 2Al(OH)₃ + 3H₂S

Вещества и генетические связи между ними

Схема генетических связей и возможных взаимодействий

между неорганическими веществами

Металл		Неметалл
Основный оксид		Кислотный оксид
Основание		Кислота
Соль		Соль

Задание: по данной схеме составьте  уравнения реакций, подтверждающих генетические связи между классами веществ (на примере металла натрия и неметалла фосфора).