Простые и сложные вещества. Основные классы неорганических веществ. Номенклатура неорганических соединений

В настоящее время химикам известно боле 15 миллионов веществ, как найденных в природе, так и полученных искусственным (синтетическим) путём. Без должной классификации изучать и использовать эти вещества практически невозможно. Под классификацией понимают объединение веществ в классы и группы по совокупности сходных характеристик, что позволяет систематизировать знания о веществах и облегчает изучение их свойств.

Все вещества делятся на простые и сложные:

Простыми называют вещества, образованные атомами одного элемента, например водород Н₂, азот N₂, железо Fe и т. д. Нельзя отождествлять понятия “простое вещество” и “химический элемент”. Так, химических элементов на сегодня известно 118, в то время как простых веществ — около 450. Это связано с тем, что некоторые химические элементы образуют несколько простых веществ. Данное явление называется аллотропией. Причина аллотропии заключается или в различном составе молекул (например, O₂ и O₃), или в различном кристаллическом строении аллотропных модификаций (серое и белое олово).

Сложные вещества состоят из нескольких химических элементов, например, вода Н₂O — из двух элементов (водорода и кислорода), серная кислота H₂SO₄ — из трёх (водород, сера и кислород).

Простые вещества, в свою очередь, делятся на металлы и неметаллы.

Неметаллов известно всего 24. Это водород, инертные газы, углерод, азот, кислород, галогены, кремний, фосфор, сера, германий, мышьяк, селен, сурьма и теллур. Остальным элементам отвечают простые вещества — металлы. Деление на металлы и неметаллы условно. Так, в ряде учебных пособий германий и сурьма относятся к металлам, хотя большинство авторов не разделяют такую точку зрения. Свойства многих элементов являются промежуточными между свойствами типичных металлов и типичных неметаллов. Есть элементы, у которых одна аллотропная модификация проявляет отчётливые металлические свойства, а другая модификация проявляет скорее свойства неметалла (например, белое и серое олово).

Сложные вещества принято делить на неорганические и органические, хотя и здесь чёткой границы провести нельзя:

Сложные неорганические вещества принято делить на четыре важнейших класса (есть и другие классы соединений, но их не изучают в школе):

Данная классификация сложилась ещё в древности и пришла к нам практически без изменений из XIX века. Сегодня мы видим, что в этой классификации нет места амфотерным гидроксидам, изучение которых в XIX веке только началось. Поэтому лучше использовать такую классификацию сложных неорганических веществ:

Разумеется, что и эта классификация несовершенна и не отражает всего многообразия неорганических веществ. Так, в старших классах вы узнаете, что аммиак NH₃, не являясь гидроксидом, относится тем не менее к классу оснований.

Рассмотрим важнейшие классы неорганических веществ.

Оксиды

Оксидами называются сложные вещества, состоящие из двух элементов, один из которых — кислород в степени окисления -2. Последнее уточнение связано с тем, что существуют и аналогичные по составу пероксиды, содержащие кислород в степени окисления -1. Сравните: Н₂O —^-2 оксид водорода, Н₂O₂ —^-1 пероксид водорода.

Номенклатура оксидов. Названия оксидов состоят из слов “оксид” и названия элемента в родительном падеже (с указанием в скобках степени окисления элемента римскими цифрами):

СuО — оксид меди(II);

Сu₂O — оксид меди(I);

NO₂ — оксид азота(IV);

N₂O₅— оксид азота(V).

Иногда в литературе используют названия без указания степени окисления элемента, указывая, однако, число атомов кислорода, например:

СО — монооксид углерода;

СO₂ — диоксид углерода;

SO₃— триоксид серы.

И наконец, в ряде случаев используют исторически сложившиеся, тривиальные названия, например:

Н₂O — вода;

СO₂ — углекислый газ;

SO₂— сернистый газ;

N₂O — закись азота (веселящий газ).

Классификация оксидов. Оксиды делятся на три группы: несолеобразующие, солеобразующие и солеобразные.

Несолеобразующие оксиды (к ним относятся СО, NO, N₂O) не взаимодействуют с водными растворами кислот и щелочей с образованием солей. Название “несолеобразующие” условно. Так, оксид углерода(II) не реагирует с водным раствором щёлочи при обычных условиях, однако реакция становится возможной с твёрдой щёлочью при сильном нагревании под давлением (при этом образуется соль муравьиной кислоты):

Несолеобразующие оксиды называют иногда безразличными оксидами.

Солеобразующие оксиды, в свою очередь, делят на кислотные, основные и амфотерные:

Кислотными называют оксиды, которым соответствуют кислоты. Кислотные оксиды реагируют с основаниями с образованием соли и воды. Это оксиды, образованные неметаллами или переходными металлами в высоких степенях окисления. К ним, например, относятся: СO₂, SO₂, SO₃, Р₂O₅, SiO₂, СrO₃, Мn₂O₇. Кислотные оксиды взаимодействуют с водой, образуя соответствующую кислоту (за исключением SiO₂):

Кислотные оксиды иногда называют кислотными ангидридами, так, SO₃ — ангидрид серной кислоты, Р₂O₅ — ангидрид фосфорной кислоты и т.д.

Основными называют оксиды, которым соответствуют основания. Основные оксиды реагируют с кислотами с образованием соли и воды. Основные оксиды образуют только типичные (активные) металлы. Степень окисления металла в основных оксидам не превышает, как правило, +2. К основным принадлежат оксиды щелочных и щелочноземельных металлов, магния, таллия (I). В школьном курсе химии к основным оксидам относят и такие оксиды, как СuО, МnО, СrО, FeO. Строго говоря, все оксиды переходных элементов проявляют слабоамфотерные свойства, но, поскольку основные свойства СuО, МnО, СrО и FeO явно преобладают над кислотными, допустимо считать их оксидами основными.

Амфотерными называют оксиды, проявляющие химическую двойственность. Они сочетают в себе качества как кислотных оксидов (реагируя с основаниями), так и основных оксидов (реагируя с кислотами). Амфотерные свойства проявляют BeO, ZnO, Аl₂O₃, Cr₂O₃, SnO, SnO₂, Sb₂O₃, Fe₂O₃и др.

К солеобразным (или двойным) оксидам относят оксиды, содержащие элемент в двух различных степенях окисления, например Fe₃O₄, Рb₃O₄ и др. Так, минерал магнетит (железная окалина) Fe₃O₄содержит катионы железа в двух разных степенях окисления и может рассматриваться, во-первых, как двойной оксид FeO ∙ Fe₂O₃, или (Fe^IIFe₂^III)O₄, и, во-вторых, как солеобразное соединение Fe^II(Fe^IIIO₂)₂.

При взаимодействии с кислотами магнетит образует не одну, а две разные соли:

Аналогично свинцовый сурик Рb₃O₄ можно рассматривать как двойной оксид (Pb^II₂Pb^IV)O₄или как соль Pb^II₂(Pb^IVO₄).

Гидроксиды

Гидроксиды можно рассматривать как продукты взаимодействия оксидов с водой. Состав гидроксидов может быть выражен общей формулой ЭО_n(ОН)_m. Гидроксидами являются гидроксид натрия NaOH, гидроксид кальция Са(ОН)₂, гидроксид алюминия Аl(ОН)₃, гидроксид цинка Zn(OH)₂, гидроксид серы(VI) SO₂(OH)₂, гидроксид азота(V) NO₂(OH).

Гидроксиды можно классифицировать следующим образом:

Среди приведённых выше гидроксидов основаниями являются NaOH и Са(ОН)₂, амфотерными гидроксидами — Аl(ОН)₃ и Zn(OH)₂, кислородсодержащими кислотами — SO₂(OH)₂и NO₂(OH).

Общепринято гидроксиды-основания и амфотерные гидроксиды называть именно гидроксидами, в то время как гидроксиды неметаллов, проявляющих кислотные свойства, относить к кислотам. В этой связи формулы гидроксидов неметаллов записывают так, как это принято для кислот — на первом месте записывают атом водорода:

H₂SO₄ вместо SO₂(OH)₂;

HNO₃ вместо NO₂(OH) и т.д.

С точки зрения теории электролитической диссоциации основания — сложные вещества, при диссоциации которых в водных растворах образуются в качестве анионов только гидроксид-ионы ОН^-. Металлы, образующие основные оксиды, образуют и гидроксиды-основания. К хорошо растворимым в воде основаниям, проявляемым сильные основные свойства, относятся гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов (Na, К, Sr, Ва и др.). Гидроксиды других металлов практически нерастворимы (например, Сu, Мn и др.). Гидроксиды-основания реагируют с кислотами с образованием соли и воды (реакция нейтрализации).

К амфотерным гидроксидам относятся гидроксиды алюминия, цинка, бериллия, хрома(III), железа(III), сурьмы(III) и (V) и др.

Если элемент-металл проявляет несколько степеней окисления, то основные свойства гидроксидов с ростом степени окисления уменьшаются с одновременным увеличением кислотных свойств. Так, гидроксид хрома(II) Сr(ОН)₂ проявляет преимущественно основные свойства, гидроксид хрома(III) Сr(ОН)₃ — амфотерные, гидроксид хрома(VI) СrO₂(OН)₂ — сильные кислотные свойства.

Номенклатура гидроксидов. В соответствии с номенклатурными правилами при названии гидроксида после слова “гидроксид” следует указать элемент и его степень окисления (если элемент проявляет постоянную степень окисления, то её можно не указывать):

КОН — гидроксид калия;

Са(ОН)₂ — гидроксид кальция;

Сг(ОН)₃ — гидроксид хрома(III);

Sb(OH)₃— гидроксид сурьмы(III).

Классификация и номенклатура гидроксидов-кислот будет дана ниже.

Кислоты

Кислотой, в соответствии с теорией Аррениуса, называется вещество, при электролитической диссоциации которого в качестве катионов образуются только ионы водорода H⁺. До Аррениуса использовали и другое определение понятия “кислоты”, согласно которому кислота — сложное вещество, состоящее из атомов водорода, способных замещаться на металл, и кислотного остатка.

Главным химическим свойством кислот является взаимодействие с основаниями — реакция нейтрализации, приводящая к образованию соли и воды.

Классификация кислот. Единой классификации кислот не существует.

По своему составу кислоты делят на бескислородные и кислородсодержащие (кислородсодержащие кислоты можно рассматривать и как гидроксиды). Примерами бескислородных кислот являются хлороводородная НСl, сероводородная H₂S, фтороводородная HF. К кислородсодержащим кислотам (кислотным гидроксидам) относятся серная H₂SO₄, азотная HNO₃, ортофосфорная Н₃РO₄, хлорная НСlO₄.

По количеству атомов водорода, способных замещаться на атомы металла, кислоты делят на одноосновные (HF, НСl, НСlO₄), двухосновные (H₂S, H₂SO₄), трёхосновные (Н₃РO₄), четырёхосновные (H₄SiO₄).

По силе кислоты делят на сильные, полностью диссоциирующие в разбавленных водных растворах, и слабые, диссоциация которых весьма мала. К сильным кислотам относится не так много кислот, это НСl, НСlO₄, H₂SO₄, HNO₃, НМnO₄ и некоторые другие. Большинство остальных кислот — слабые.

Кислоты можно классифицировать по растворимости в воде (кремниевые кислоты, в отличие от остальных, в воде не растворяются) и по термической устойчивости (весьма неустойчивы угольная, сернистая, азотистая кислоты, в то время как серная и фосфорная устойчивы к нагреванию).

В общем виде классификацию кислот можно представить в следующем виде:

Номенклатура кислот. Названия кислот производятся от названия элементов, их образующих. Если элемент образует несколько кислородсодержащих кислот, это отражается в названии кислоты введением суффиксов -оватая, -истая, -оватистая (по мере уменьшения степени окисления элемента). В случае если одной степени окисления отвечает несколько кислот, то в название вводят префикс ди- (отражающий наличие двух атомов кислотообразователя) или мета-, орто- (если кислоты отличаются количеством связанной воды). Ниже приведены названия изучаемых в средней школе кислот (в скобках приведены тривиальные названия) (табл. 5):

Таблица 5

Кислоты

Формула	Название	Название
кислоты	кислоты	аниона
HF	Фтороводородная (плавиковая)	Фторид
HCl	Хлороводородная (соляная)	Хлорид
HClO	Хлорноватистая	Гипохлорит
НСlO2	Хлористая	Хлорит
HClO3	Хлорноватая	Хлорат
НСlO4	Хлорная	Перхлорат
НВr	Бромоводородная	Бромид
HI	Иодоводородная	Иодид
НМnO4	Марганцевая	Перманганат
H2S	Сероводородная	Сульфид
H2SO3	Сернистая	Сульфит
H2SO4	Серная	Сульфат
H2S2O7	Дисерная (пиросерная)	Дисульфат (пиросульфат)
H2CrO4	Хромовая	Хромат
H2Cr2O7	Дихромовая	Дихромат
HNO2	Азотистая	Нитрит
HNO3	Азотная	Нитрат
H3PO3	Фосфористая	Фосфит
HPO3	Метафосфорная	Метафосфат
H3PO4	Ортофосфорная	Ортофосфат
H4P2O7	Дифосфорная (пирофосфорная)	Дифосфат (пирофосфат)
H2CO3	Угольная	Карбонат
CH3COOH	Уксусная	Ацетат
H2SiO3	Метакремниевая	Метасиликат
H4SiO4	Ортокремниевая	Ортосиликат
H3BO3	Ортоборная	Ортоборат

Соли

Соли — это сложные вещества, состоящие из атомов металлов и кислотных остатков. Роль атомов металлов могут играть и другие катионы, например ионы аммония NH₄⁺. В соответствии с теорией электролитической диссоциации Аррениуса, соли — сложные вещества, при диссоциации которых образуются катионы металлов и анионы кислотных остатков.

Классификация солей. С точки зрения соотношения катионов и анионов соли можно подразделить на нормальные, двойные и смешанные, а с точки зрения полноты замещения атомов водорода на металл или гидроксогрупп на кислотные остатки — на средние, кислые и основные:

Нормальные соли можно рассматривать как продукт нейтрализации одной кислоты одним основанием, другими словами, они содержат один катион и один анион. Примеры нормальных солей: NaCl, K₂SO₄, К₂НРO₄, (CuOH)₂CO₃, FeS, NaHS, К₃РO₄.

Двойные соли содержат два различных катиона и один анион, например: KMgCl₃, CaMg(CO₃)₂(минерал доломит), NH₄Al(SO₄)₂(алюмоаммонийные квасцы).

Смешанные соли, напротив, содержат один катион и два различных аниона, т.е. являются солью двух кислот. Примерами смешанных солей могут служить Са(ОСl)Сl (кальциевая соль хлорноватистой и хлороводородной кислот, хлорная известь), Cu(NO₃)Cl (медная соль азотной и хлороводородной кислот), Ca₅(PO₄)₃F (кальциевая соль ортофосфорной и фтороводородной кислот — минерал фторапатит).

Средние соли можно рассматривать как продукт полного замещения атомов водорода в молекулах кислот на атомы металла. На средние соли приходится подавляющее большинство всех солей. Примеры средних солей: CaF₂, Na₂SO₄, FeS, К₃РO₄, Са(ОСl)Сl, CaMg(CO₃)₂.

Кислые соли можно рассматривать как продукт неполного замещения атомов водорода в молекулах кислот на атомы металла. Примеры кислых солей: К₂НРO₄, КН₂РO₄, NaHS.

Основные соли можно рассматривать как продукт неполного замещения гидроксогрупп в основаниях на кислотные остатки. К основным солям принадлежит, например, (СuOН)₂СO₃ — минерал малахит.

Кроме указанных типов солей иногда выделяют ещё одну группу — комплексные соли, например [Аl(Н₂O)₆]Сl₃, Na[Al(OH)₄], Na₃[AlF₆] и т. д. Однако знакомство с комплексными соединениями (в том числе — солями) состоится лишь в старших классах профильной школы.

Номенклатура солей. Названия солей строятся из двух слов — названия аниона в именительном падеже и названия аниона в родительном падеже, например CaF₂ — фторид кальция. Для металлов с переменной степенью окисления её указывают в скобках после названия, например, Cr(NO₃)₃— нитрат хрома(III).

Названия кислых солей начинаются с префикса “гидро-” (указание на атомы водорода). Если атомов водорода два, то говорят “дигидро-”. Например, NaHCO₃ — гидрокарбонат натрия, Са(Н₂РO₄)₂ — дигидрофосфат кальция. Названия основных солей начинаются с префикса “гидроксо-”, например, Fe(OH)Cl₂ — гидроксохлорид железа(III).

При необходимости назвать кристаллогидрат какой-либо соли к её названию следует добавить слово “гидрат”, например, CuSO₄ ∙ 5Н₂O имеет название пентагидрат сульфата меди(II).

Названия кислотных остатков приведены в таблице 5.

Задания

Часть 1

К каждому из заданий части 1 даны 4 варианта ответа, из которых только один правильный.

1. К кислотным оксидам относится

2. К основным оксидам относится

3. К амфотерным оксидам относится

4. Основным оксидом является каждое из двух веществ:

5. Кислотным оксидом является каждое из двух веществ:

6. Кислотным и основным оксидом соответственно являются

7. Только кислотные оксиды расположены в ряду?

8. Амфотерным гидроксидом и кислотой соответственно являются

9. Среди приведенных соединений:

основными оксидами являются

1) АВГ .

2) ВГД

3) АГД .

4) БГЕ

10. Среди приведенных соединений:

кислотами являются

1) АВГ

2) ВГД

3) АГД .

4) БГЕ

11. Среди приведенных соединений:

амфотерными гидроксидами являются

1) АВГ

2) ВГД

3) АГД

4) БДЕ

12. Какие суждения об оксидах верны?

А. Кислотные оксиды взаимодействуют с щелоча-

Б. Основные оксиды образуют только металлы.

1) верно только А

2) верно только Б

3) верны оба суждения

4) оба суждения неверны

13. Какие суждения об оксидах верны?

А. Вещество состава Са0₂ относится к оксидам.

Б. Кислотные оксиды образуют как металлы, так и неметаллы.

1) верно только А

2) верно только Б

3) верны оба суждения

4) оба суждения неверны

14. Какие суждения об оксидах верны?

А. Фосфор образует только основные оксиды.

Б. Кислотные оксиды образуют только неметаллы.

1) верно только А

2) верно только Б

3) верны оба суждения

4) оба суждения неверны

При выполнении заданий выберите правильный ответ. Найдите соответствие.

15. Установите соответствие между химической формулой соединения и классом (группой) неорганических соединений.

ФОРМУЛА СОЕДИНЕНИЯ

КЛАСС (ГРУППА) НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ 1) средняя соль 2) кислотный оксид 3) бескислородная кислота 4) основная соль 5) несолеобразующий оксид 6) кислородсодержащая кислота

A	Б	В	Г

16. Установите соответствие между названием вещества и классом (группой) неорганических соединений, к которому оно принадлежит.

НАЗВАНИЕ ВЕЩЕСТВА А) гидрофосфат калия Б) сероводородная кислота В) ортофосфорная кислота Г) гидроксид олова(II)

КЛАСС (ГРУППА) СОЕДИНЕНИЙ 1) бескислородная кислота 2) щелочь 3) основная соль 4) кислородсодержащая кислота 5) амфотерный гидроксид 6) кислая соль

А	Б	В	Г

17. Установите соответствие между формулой вещества и классом (группой) неорганических соединений.

ФОРМУЛА ВЕЩЕСТВА

КЛАСС (ГРУППА) НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ 1) амфотерный оксид 2) основный оксид 3) соль 4) щелочь 5) амфотерный гидроксид 6) кислотный оксид

А	Б	В	Г