Способы получения оксидов

Тема 1.5 Классификация неорганических соединений и их свойства

В настоящее время известно более 500 тысяч неорганических соединений, знать их формулы, названия, а тем более свойства практически невозможно. Для того чтобы легче ориентироваться в огромном многообразии химических веществ, все вещества разделены на отдельные классы, включающие соединения, сходные по строению и свойствам.

Первоначально все химические вещества делятся на простые и сложные.

Простые вещества подразделяются на металлы и неметаллы.

Помимо типичных металлов и неметаллов есть большая группа веществ, обладающая промежуточными свойствами, их называют металлоидами.

Сложные вещества подразделяются на четыре класса химических соединений: оксиды, основания, кислоты и соли. Эта классификация разработана выдающимися химиками XVIII–XIX веков Антуаном Лораном Лавуазье, Михаилом Васильевичем Ломоносовым, Йёнсом Якобом Берцелиусом, Джоном Дальтоном.

На рис. 8 приведены важнейшие классы неорганических соединений.

Рисунок 8 - Важнейшие классы неорганических соединений

 

Гидроксиды - тип сложных веществ, в состав которых входят атомы некоторого элемента Е (кроме фтора и кислорода) и гидроксогруппы ОН; общая формула гидроксидов Е(ОН)n, где n = 1÷6. Форма гидроксидов Е(ОН)n называется орто-формой; при n > 2 гидроксид может находиться также в мета-форме, включающей кроме атомов Е и групп ОН еще атомы кислорода О, например Е(ОН)3 и ЕО(ОН), Е(ОН)4 и Е(ОН)6 и ЕО2(ОН)2.

Гидроксиды делят на две противоположные по химическим свойствам группы: кислотные и основные гидроксиды.

Кислотные гидроксиды содержат атомы водорода, которые могут замещаться на атомы металла при соблюдении правила стехиометрической валентности. Большинство кислотных гидроксидов находится в мета-форме, причем атомы водорода в формулах кислотных гидроксидов ставят на первое место, например H2SO4, HNO3 и H2CO3, а не SO2(OH)2, NO2(OH) и CO(OH)2. Общая формула кислотных гидроксидов - НхЕОу, где электроотрицательную составляющую ЕОух- называют кислотным остатком. Если не все атомы водорода замещены на металл, то они остаются в составе кислотного остатка.

Названия распространенных кислотных гидроксидов состоят из двух слов: собственного названия с окончанием «ая» и группового слова «кислота».

Названия кислот и кислотного остатка представлены в табл. Приложения А.

Названия кислотных остатков используют при построении названий солей.

Основные гидроксиды содержат гидроксид-ионы, которые могут замещаться на кислотные остатки при соблюдении правила стехиометрической валентности. Все основные гидроксиды находятся в орто-форме; их общая формула М(ОН)n, где n = 1,2 (реже 3,4) и М n +- катион металла. Примеры формул и названий основных гидроксидов:

NaOH - гидроксид натрия Ba(OH)2 - гидроксид бария
KOH - гидроксид калия La(OH)3 - гидроксид лантана(III)

Важнейшим химическим свойством основных и кислотных гидроксидов является их взаимодействие их между собой с образованием солей (реакция солеобразования), например:

Ca(OH)2 + H2SO4 = CaSO4 + 2H2O

Ca(OH)2 + 2H2SO4 = Ca(HSO4)2 + 2H2O

2Ca(OH)2 + H2SO4 = Ca2SO4(OH)2 + 2H2O

Соли - тип сложных веществ, в состав которых входят катионы Мn+ и кислотные остатки.

Соли с общей формулой Мх(ЕОу) n называют среднимисолями, а соли с незамещенными атомами водорода, - кислыми солями. Иногда соли содержат в своем составе также гидроксид - или (и) оксид - ионы; такие соли называют основными солями. Приведем примеры и названия солей:

Ca3(PO4)2 - ортофосфат кальция
Ca(H2PO4)2 - дигидроортофосфат кальция
CaHPO4 - гидроортофосфат кальция
CuCO3 - карбонат меди(II)
Cu2CO3(OH)2 - дигидроксид-карбонат димеди
La(NO3)3 - нитрат лантана(III)
Ti(NO3)2O - оксид-динитрат титана

 

Кислые и основные соли могут быть превращены в средние соли взаимодействием с соответствующим основным и кислотным гидроксидом, например:

Ca(HSO4)2 + Ca(OH) = CaSO4 + 2H2O

Ca2SO4(OH)2 + H2SO4 = 2CaSO4 + 2H2O

Встречаются также соли, содерхащие два разных катиона: их часто называют двойными солями, например:

KAl(SO4)2 - сульфат алюминия-калия

Кислотные и оснόвные оксиды. Оксиды ЕхОу - продукты полной дегидратации гидроксидов:

  H2SO4 ¾ ® SO3 - H2O   H2CO3 ¾ ® CO2 - H2O
NaOH ¾ ® Na2O - H2O Ca(OH)2 ¾ ® CaO - H2O

 

Кислотным гидроксидам (H2SO4, H2CO3) отвечаюткислотные оксиды (SO3, CO2), а основным гидроксидам (NaOH, Ca(OH)2) - основные оксиды (Na2O, CaO), причем степень окисления элемента Е не изменяется при переходе от гидроксида к оксиду. Пример формул и названий оксидов:

SO3 - триоксид серы Na2O - оксид натрия
N2O5 - пентаоксид диазота La2O3 - оксид лантана(III)
P4O10 - декаоксид тетрафосфора ThO2 - оксид тория(IV)

 

Кислотные и основные оксиды сохраняют солеобразующие свойства соответствующих гидроксидов при взаимодействии с противоположными по свойствам гидроксидами или между собой:

N2O5 + 2NaOH = 2NaNO3 + H2O

3CaO + 2H3PO4 = Ca3(PO4)2 + 3H2O

La2O3 + 3SO3 = La2(SO4)3

Амфотерные оксиды и гидроксиды. Амфотерность гидроксидов и оксидов - химическое свойство, заключающееся в образовании ими двух рядов солей, например, для гидроксида и оксида алюминия:

(а) 2Al(OH)3 + 3SO3 = Al2(SO4)3 + 3H2O

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

(б) 2Al(OH)3 + Na2O = 2NaAlO2 + 3H2O

Al2O3 + 2NaOH = 2NaAlO2 + H2O

Так, гидроксид и оксид алюминия в реакциях (а) проявляют свойства основных гидроксидов и оксидов, т.е. реагируют с кислотными гидроксидам и оксидом, образуя соответствующую соль - сульфат алюминия Al2(SO4)3, тогда как в реакциях (б) они же проявляют свойства кислотных гидроксидов и оксидов, т.е. реагируют с основными гидроксидом и оксидом, образуя соль - диоксоалюминат (III) натрия NaAlO2. В первом случае элемент алюминий проявляет свойство металла и входит в состав электроположительной составляющей (Al3+), во втором - свойство неметалла и входит в состав электроотрицательной составляющей формулы соли (AlO2-).

Если указанные реакции протекают в водном растворе, то состав образующихся солей меняется, но присутствие алюминия в катионе и анионе остаётся:

2Al(OH)3 + 3H2SO4 = [Al(H2O)6]2(SO4)3

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

Здесь квадратными скобками выделены комплексные ионы [Al(H2O)6]3+ - катион гексаакваалюминия(III), [Al(OH)4]- - тетрагидроксоалюминат(III)-ион.

Элементы, проявляющие в соединениях металлические и неметаллические свойства, называют амфотерными, к ним относятся элементы А-групп Периодической системы - Be, Al, Ga, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Po и др., а также большинство элементов Б-групп - Cr, Mn, Fe, Zn, Cd, Au и др. Амфотерные оксиды называют так же, как и основные, например:

BeO - оксид бериллия FeO - оксид железа(II)
Al2O3 - оксид алюминия Fe2O3 - оксид железа(III)
SnO - оксид олова(II) MnO2 - оксид марганца(IV)
SnO2 - диоксид олова(IV) ZnO - оксид цинка(II)

 

Амфотерные гидроксиды (если степень окисления элемента превышает + II) могут находиться в орто - или (и) мета - форме. Примеры амфотерных гидроксидов:

Be(OH)2 - гидроксид бериллия
Al(OH)3 - гидроксид алюминия
AlO(OH) - метагидроксид алюминия
TiO(OH)2 - дигидроксид-оксид титана
Fe(OH)2 - гидроксид железа(II)
FeO(OH) - метагидроксид железа

 

Амфотерным оксидам не всегда соответствуют амфотерные гидроксиды, поскольку при попытке получения последних образуются гидратированные оксиды, например:

SnO2 . nH2O - полигидрат оксида олова(IV)
Au2O3 . nH2O - полигидрат оксида золота(I)
Au2O3 . nH2O - полигидрат оксида золота(III)

 

Если амфотерному элементу в соединениях отвечает несколько степеней окисления, то амфотерность соответствующих оксидов и гидроксидов (а следовательно, и амфотерность самого элемента) будет выражена по-разному. Для низких степеней окисления у гидроксидов и оксидов наблюдается преобладание основных свойств, а у самого элемента - металлических свойств, поэтому он почти всегда входит в состав катионов. Для высоких степеней окисления, напротив, у гидроксидов и оксидов наблюдается преобладание кислотных свойств, а у самого элемента - неметаллических свойств, поэтому он почти всегда входит в состав анионов. Так, у оксида и гидроксида марганца(II) доминируют основные свойства, а сам марганец входит в состав катионов типа [Mn(H2O)6]2+, тогда как у оксида и гидроксида марганца(VII) доминируют кислотные свойства, а сам марганец входит в состав аниона типа MnO4- . Амфотерным гидроксидам с большим преобладанием кислотных свойств приписывают формулы и названия по образцу кислотных гидроксидов, например НMnVIIO4 - марганцовая кислота.

Таким образом, деление элементов на металлы и неметаллы - условное; между элементами (Na, K, Ca, Ba и др.) с чисто металлическими и элементами (F, O, N, Cl, S, C и др.) с чисто неметаллическими свойствами существует большая группа элементов с амфотерными свойствами.

1) Способы получения солей

Взаимодействие простых веществ

Взаимодействие оксидов

Взаимодействие кислот и оснований (нейтрализация)

Взаимодействие соли и кислоты

Взаимодействие соли и щелочи

Взаимодействие двух солей (обменная реакция)

Взаимодействие оксида с кислотой

Замещение водорода

Замещение металла

Термолиз кислых солей

Взаимодействие двух солей (присоединение)

Взаимодействие двух солей (комплексообразование)

Окисление простых и сложных веществ

S + O2 = SO2; 2Mg + O2 = 2MgO,

2CuS +3O2 = 2CuO + 2SO2.

Разложение гидроксидов

Разложение карбонатов и других солей

Взаимодействие металла с другим оксидом