2.1. Классификация неорганических веществ. Номенклатура неорганических веществ (тривиальная и международная).Классификация неорганических веществ с примерами соединений Теперь проанализируем представленную выше классификационную схему более детально. Как мы видим, прежде всего все неорганические вещества делятся на простые и сложные: Простыми веществами называют такие вещества, которые образованы атомами только одного химического элемента. Например, простыми веществами являются водород H2, кислород O2, железо Fe, углерод С и т.д. Среди простых веществ различают металлы, неметаллы и благородные газы: Металлы образованы химическими элементами, расположенными ниже диагонали бор-астат, а также всеми элементами, находящимися в побочных группах. Благородные газы образованы химическими элементами VIIIA группы. Неметаллы образованы соответственно химическими элементами, расположенными выше диагонали бор-астат, за исключением всех элементов побочных подгрупп и благородных газов, расположенных в VIIIA группе: Названия простых веществ чаще всего совпадают с названиями химических элементов, атомами которых они образованы. Однако для многих химических элементов широко распространено такое явление, как аллотропия. Аллотропией называют явление, когда один химический элемент способен образовывать несколько простых веществ. Например, в случае химического элемента кислорода возможно существование молекулярных соединений с формулами O2 и O3. Первое вещество принято называть кислородом так же, как и химический элемент, атомами которого оно образовано, а второе вещество (O3) принято называть озоном. Под простым веществом углеродом может подразумеваться любая из его аллотропных модификаций, например, алмаз, графит или фуллерены. Под простым веществом фосфором могут пониматься такие его аллотропные модификации, как белый фосфор, красный фосфор, черный фосфор. Сложные вещества Сложными веществами называют вещества, образованные атомами двух или более химических элементов. Так, например, сложными веществами являются аммиак NH3, серная кислота H2SO4, гашеная известь Ca(OH)2 и бесчисленное множество других. Среди сложных неорганических веществ выделяют 5 основных классов, а именно оксиды, основания, амфотерные гидроксиды, кислоты и соли: Оксиды — сложные вещества, образованные двумя химическими элементами, один из которых кислород в степени окисления -2. Общая формула оксидов может быть записана как ЭxOy, где Э — символ какого-либо химического элемента. Номенклатура оксидов Название оксида химического элемента строится по принципу: Например: Fe2O3 — оксид железа (III); CuO — оксид меди (II); N2O5 — оксид азота (V) Нередко можно встретить информацию о том, что в скобках указывается валентность элемента, однако же это не так. Так, например, степень окисления азота N2O5 равна +5, а валентность, как это ни странно, равна четырем. В случае, если химический элемент имеет единственную положительную степень окисления в соединениях, в таком случае степень окисления не указывается. Например: Na2O — оксид натрия; H2O — оксид водорода; ZnO — оксид цинка. Классификация оксидов Оксиды по их способности образовывать соли при взаимодействии с кислотами или основаниями подразделяют соответственно на солеобразующие и несолеобразующие. Несолеобразующих оксидов немного, все они образованы неметаллами в степени окисления +1 и +2. Список несолеобразующих оксидов следует запомнить: CO, SiO, N2O, NO. Солеобразующие оксиды в свою очередь подразделяются на основные, кислотные и амфотерные. Основными оксидами называют такие оксиды, которые при взаимодействии с кислотами (или кислотными оксидами) образуют соли. К основным оксидам относят оксиды металлов в степени окисления +1 и +2, за исключением оксидов BeO, ZnO, SnO, PbO. Кислотными оксидами называют такие оксиды, которые при взаимодействии с основаниями (или основными оксидами) образуют соли. Кислотными оксидами являются практически все оксиды неметаллов за исключением несолеобразующих CO, NO, N2O, SiO, а также все оксиды металлов в высоких степенях окисления (+5, +6 и +7). Амфотерными оксидами называют оксиды, которые могут реагировать как с кислотами, так и основаниями, и в результате этих реакций образуют соли. Такие оксиды проявляют двойственную кислотно-основную природу, то есть могут проявлять свойства как кислотных, так и основных оксидов. К амфотерным оксидам относятся оксиды металлов в степенях окисления +3, +4, а также в качестве исключений оксиды BeO, ZnO, SnO, PbO. Некоторые металлы могут образовывать все три вида солеобразующих оксидов. Например, хром образует основный оксид CrO, амфотерный оксид Cr2O3 и кислотный оксид CrO3. Как можно видеть, кислотно-основные свойства оксидов металлов напрямую зависят от степени окисления металла в оксиде: чем больше степень окисления, тем сильнее выражены кислотные свойства. Основания Основания — соединения с формулой вида Me(OH)x, где x чаще всего равен 1 или 2. Исключения: Be(OH)2, Zn(OH)2, Sn(OH)2 и Pb(OH)2 не относятся к основаниям, несмотря на степень окисления металла +2. Данные соединения являются амфотерными гидроксидами, которые еще будут рассмотрены в этой главе более подробно. Классификация оснований Основания классифицируют по количеству гидроксогрупп в одной структурной единице. Основания с одной гидроксогруппой, т.е. вида MeOH, называют однокислотными основаниями, с двумя гидроксогруппами, т.е. вида Me(OH)2, соответственно, двухкислотными и т.д. Также основания подразделяют на растворимые (щелочи) и нерастворимые. К щелочам относятся исключительно гидроксиды щелочных и щелочно-земельных металлов, а также гидроксид таллия TlOH. Номенклатура оснований Название основания строится по нижеследующему принципу: Например: Fe(OH)2 — гидроксид железа (II), Cu(OH)2 — гидроксид меди (II). В тех случаях, когда металл в сложных веществах имеет постоянную степень окисления, указывать её не требуется. Например: NaOH — гидроксид натрия, Ca(OH)2 — гидроксид кальция и т.д. Кислоты Кислоты — сложные вещества, молекулы которых содержат атомы водорода, способные замещаться на металл. Общая формула кислот может быть записана как HxA, где H — атомы водорода, способные замещаться на металл, а A — кислотный остаток. Например, к кислотам относятся такие соединения, как H2SO4, HCl, HNO3, HNO2 и т.д. Классификация кислот По количеству атомов водорода, способных замещаться на металл, кислоты делятся на: — одноосновные кислоты: HF, HCl, HBr, HI, HNO3; — двухосновные кислоты: H2SO4, H2SO3, H2CO3; — трехосновные кислоты: H3PO4, H3AsO4. Следует отметить, что количество атомов водорода в случае органических кислот чаще всего не отражает их основность. Например, уксусная кислота с формулой CH3COOH, несмотря на наличие 4-х атомов водорода в молекуле, является не четырех-, а одноосновной. Основность органических кислот определяется количеством карбоксильных групп (-COOH) в молекуле. Также по наличию кислорода в молекулах кислоты подразделяют на бескислородные (HF, HCl, HBr и т.д.) и кислородсодержащие (H2SO4, HNO3, H3PO4 и т.д.). Кислородсодержащие кислоты называют также оксокислотами. Более детально про классификацию кислот можно почитать здесь. Номенклатура кислот и кислотных остатков Нижеследующий список названий и формул кислот и кислотных остатков обязательно следует выучить. В некоторых случаях облегчить запоминание может ряд следующих правил. Как можно видеть из таблицы выше, построение систематических названий бескислородных кислот выглядит следующим образом: Например: HF — фтороводородная кислота; HCl — хлороводородная кислота; H2S — сероводородная кислота. Названия кислотных остатков бескислородных кислот строятся по принципу: Например, Cl— — хлорид, Br— — бромид. Названия кислородсодержащих кислот получают добавлением к названию кислотообразующего элемента различных суффиксов и окончаний. Например, если кислотообразующий элемент в кислородсодержащей кислоте имеет высшую степень окисления, то название такой кислоты строится следующим образом: Например, серная кислота H2S+6O4, хромовая кислота H2Cr+6O4. Все кислородсодержащие кислоты могут быть также классифицированы как кислотные гидроксиды, поскольку в их молекулах обнаруживаются гидроксогруппы (OH). Например, это видно из нижеследующих графических формул некоторых кислородсодержащих кислот: Таким образом, серная кислота иначе может быть названа как гидроксид серы (VI), азотная кислота — гидроксид азота (V), фосфорная кислота — гидроксид фосфора (V) и т.д. При этом число в скобках характеризует степень окисления кислотообразующего элемента. Такой вариант названий кислородсодержащих кислот многим может показаться крайне непривычным, однако же изредка такие названия можно встретить в реальных КИМах ЕГЭ по химии в заданиях на классификацию неорганических веществ. Амфотерные гидроксиды Амфотерные гидроксиды — гидроксиды металлов, проявляющие двойственную природу, т.е. способные проявлять как свойства кислот, так и свойства оснований. Амфотерными являются гидроксиды металлов в степенях окисления +3 и +4 (как и оксиды). Также в качестве исключений к амфотерным гидроксидам относят соединения Be(OH)2, Zn(OH)2, Sn(OH)2 и Pb(OH)2, несмотря на степень окисления металла в них +2. Для амфотерных гидроксидов трех- и четырехвалентных металлов возможно существование орто- и мета-форм, отличающихся друг от друга на одну молекулу воды. Например, гидроксид алюминия (III) может существовать в орто-форме Al(OH)3 или мета-форме AlO(OH) (метагидроксид). Поскольку, как уже было сказано, амфотерные гидроксиды проявляют как свойства кислот, так и свойства оснований, их формула и название также могут быть записаны по-разному: либо как у основания, либо как у кислоты. Например: Амфотерный гидроксид в форме основания Амфотерный гидроксид в форме кислоты «Кислотный» остаток Zn(OH)2 гидроксид цинка H2ZnO2 цинковая кислота ZnO22- цинкат Al(OH)3 (орто)гидроксид алюминия H3AlO3 ортоалюминиевая кислота AlO33- ортоалюминат AlO(OH) метагидроксид алюминия HAlO2 метаалюминиевая кислота AlO2— метаалюминат Соли Соли — это сложные вещества, в состав которых входят катионы металлов и анионы кислотных остатков. Так, например, к солям относятся такие соединения как KCl, Ca(NO3)2, NaHCO3 и т.д. Представленное выше определение описывает состав большинства солей, однако же существуют соли, не попадающие под него. Например, вместо катионов металлов в состав соли могут входить катионы аммония или его органические производные. Т.е. к солям относятся такие соединения, как, например, (NH4)2SO4 (сульфат аммония), [CH3NH3]+Cl— (хлорид метиламмония) и т.д. Также противоречат определению солей выше класс так называемых комплексных солей, которые будут рассмотрены в конце данной темы. Классификация солей С другой стороны, соли можно рассматривать как продукты замещения катионов водорода H+ в кислоте на другие катионы или же как продукты замещения гидроксид-ионов в основаниях (или амфотерных гидроксидах) на другие анионы. При полном замещении образуются так называемые средние или нормальные соли. Например, при полном замещении катионов водорода в серной кислоте на катионы натрия образуется средняя (нормальная) соль Na2SO4, а при полном замещении гидроксид-ионов в основании Ca(OH)2 на кислотные остатки нитрат-ионы образуется средняя (нормальная) соль Ca(NO3)2. Соли, получаемые неполным замещением катионов водорода в двухосновной (или более) кислоте на катионы металла, называют кислыми. Так, при неполном замещении катионов водорода в серной кислоте на катионы натрия образуется кислая соль NaHSO4. Соли, которые образуются при неполном замещении гидроксид-ионов в двухкислотных (или более) основаниях, называют основными солями. Например, при неполном замещении гидроксид-ионов в основании Ca(OH)2 на нитрат-ионы образуется основная соль Ca(OH)NO3. Соли, состоящие из катионов двух разных металлов и анионов кислотных остатков только одной кислоты, называют двойными солями. Так, например, двойными солями являются KNaCO3, KMgCl3 и т.д. Если соль образована одним типом катионов и двумя типами кислотных остатков, такие соли называют смешанными. Например, смешанными солями являются соединения Ca(OCl)Cl, CuBrCl и т.д. Существуют соли, которые не попадают под определение солей как продуктов замещения катионов водорода в кислотах на катионы металлов или продуктов замещения гидроксид-ионов в основаниях на анионы кислотных остатков. Это — комплексные соли. Так, например, комплексными солями являются тетрагидроксоцинкат- и тетрагидроксоалюминат натрия с формулами Na2[Zn(OH)4] и Na[Al(OH)4] соответственно. Распознать комплексные соли среди прочих чаще всего можно по наличию квадратных скобок в формуле. Однако нужно понимать, что, чтобы вещество можно было отнести к классу солей, в его состав должны входить какие-либо катионы, кроме (или вместо) H+, а из анионов должны быть какие-либо анионы помимо (или вместо) OH—. Так, например, соединение H2[SiF6] не относится к классу комплексных солей, поскольку при его диссоциации из катионов в растворе присутствуют только катионы водорода H+. По типу диссоциации данное вещество следует скорее классифицировать как бескислородную комплексную кислоту. Аналогично, к солям не относится соединение [Ag(NH3)2]OH, т.к. данное соединение состоит из катионов [Ag(NH3)2]+ и гидроксид-ионов OH—, т.е. его следует считать комплексным основанием. Номенклатура солей Номенклатура средних и кислых солей Название средних и кислых солей строится по принципу: Если степень окисления металла в сложных веществах постоянная, то ее не указывают. Названия кислотных остатков были даны выше при рассмотрении номенклатуры кислот. Например, Na2SO4 — сульфат натрия; NaHSO4 — гидросульфат натрия; CaCO3 — карбонат кальция; Ca(HCO3)2 — гидрокарбонат кальция и т.д. Номенклатура основных солей Названия основных солей строятся по принципу: Например: (CuOH)2CO3 — гидроксокарбонат меди (II); Fe(OH)2NO3 — дигидроксонитрат железа (III). Номенклатура комплексных солей Номенклатура комплексных соединений значительно сложнее, и для сдачи ЕГЭ многого знать из номенклатуры комплексных солей не нужно. Следует уметь называть комплексные соли, получаемые взаимодействием растворов щелочей с амфотерными гидроксидами. Например: *Одинаковыми цветами в формуле и названии обозначены соответствующие друг другу элементы формулы и названия. Тривиальные названия неорганических веществ Под тривиальными названиями понимают названия веществ не связанные, либо слабо связанные с их составом и строением. Тривиальные названия обусловлены, как правило, либо историческими причинами либо физическими или химическими свойствами данных соединений. Список тривиальных названий неорганических веществ, которые необходимо знать: Na3[AlF6] криолит SiO2 кварц, кремнезем FeS2 пирит, железный колчедан CaSO4∙2H2O гипс CaC2 карбид кальция Al4C3 карбид алюминия KOH едкое кали NaOH едкий натр, каустическая сода H2O2 перекись водорода CuSO4∙5H2O медный купорос NH4Cl нашатырь CaCO3 мел, мрамор, известняк N2O веселящий газ NO2 бурый газ NaHCO3 пищевая (питьевая) сода Fe3O4 железная окалина NH3∙H2O (NH4OH) нашатырный спирт CO угарный газ CO2 углекислый газ SiC карборунд (карбид кремния) PH3 фосфин NH3 аммиак KClO3 бертолетова соль (хлорат калия) (CuOH)2CO3 малахит CaO негашеная известь Ca(OH)2 гашеная известь прозрачный водный раствор Ca(OH)2 известковая вода взвесь твердого Ca(OH)2 в его водном растворе известковое молоко K2CO3 поташ Na2CO3 кальцинированная сода Na2CO3∙10H2O кристаллическая сода MgO жженая магнезия
