ОСНОВНЫЕ КЛАССЫ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

К основным классам неорганических соединений относятся оксиды, кислоты, основания и соли.

Задания по теме «Основные классы неорганических соединений» предполагают запись названий и химических формул (в том числе графических формул) кислот, оснований, солей и уравнений их электролитической диссоциации.

При записи уравнений электролитической диссоциации необходимо учитывать следующее. Вещества, способные в растворах и расплавах распадаться на ионы называются электролитами. Электролитами являются кислоты, основания и соли. По характеру диссоциации в водных растворах различают сильные и слабые электролиты.

Кислоты диссоциируют, отщепляя ионы H⁺, при этом сильные кислоты (HCl, HBr, HI, HMnO₄, HClO₄, HClO₃, HNO₃, H₂SO₄, H₂CrO₄) диссоциируют полностью и необратимо:

HNO₃ ® H⁺ + NO₃^–;

HClO₄ ® H⁺ + ClO₄^–;

H₂SO₄ ® 2 H⁺ + SO₄^2– (в разбавленных растворах)¹

Слабые кислоты (HF, HNO₂, HClO, HClO₂, H₂S, H₂Se, H₂Te, H₂SO₃, H₂SeO₃, H₂TeO₃, H₂CO₃, H₂SiO₃, H₃PO₄, H₃AsO₄, CH₃COOH) диссоциируют обратимо и неполностью:

HClO₂ ⇆ H⁺ + ClO₂^–

CH₃COOH ⇆ CH₃COO^– + H⁺ .

Многоосновные слабые кислоты диссоциируют ступенчато:

H₃PO₄ ⇆ H⁺ + H₂PO₄^–

H₂PO₄^– ⇆ H⁺ + HPO₄^2–

HPO₄^2– ⇆ H⁺ + PO₄^3– .

Следует обратить внимание, что отрицательный заряд на анионе кислотного остатка равен числу отщепившихся от молекулы кислоты ионов водорода.

Сильные основания (к ним относятся гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов) диссоциируют полностью и необратимо:

NaOH → Na⁺+ OH^–

Ba(OH)₂ → Ba²⁺ + 2 OH^–.

Слабые основания диссоциируют неполностью, процесс их диссоциации обратим; слабые многокислотные основания диссоциируют ступенчато:

Al(OH)₃ ⇆ Al(OH)₂⁺ + OH^–

Al(OH)₂⁺ ⇆ AlOH²⁺ + OH^–

AlOH²⁺ ⇆ Al³⁺ + OH^– .

Слабым основанием традиционно считается гидроксид аммония.²

NH₄OH ⇆ NH₄⁺ + OH^–.

Составляя названия кислородсодержащих кислот и их солей необходимо учитывать, что если степень окисления³ элемента, образовавшего кислоту равна номеру группы (высшая степень окисления), то название этой кислоты производят от названия элемента с добавлением окончания -ная или -овая (-евая): HClO₄ – хлорная, H₂SO₄ – серная, H₂SeO₄ – селеновая, HNO₃ – азотная, H₂CO₃ – угольная, H₂SiO₃ – кремниевая. Если данный элемент может иметь ещё одну (более низкую) степень окисления, то в названии кислородсодержащей кислоты, образованной элементом в более низкой степени окисления появляется суффикс -истая:

Примечания

1. Строго говоря, серная кислота диссоциирует как сильный электролит только по первой стадии: H₂SO₄ ® H⁺ + HSO₄^–; диссоциация по второй стадии протекает по типу слабого электролита: HSO₄^– ⇄ H⁺ + SO₄^2–. Однако в разбавленных растворах вторая стадия диссоциации протекает практически полностью, и уравнение диссоциации можно записать в виде H₂SO₄ ® 2 H⁺ + SO₄^2–.

2. Существует альтернативная точка зрения, согласно которой аммиак частично взаимодействуют с водой NH₃ + HOH ⇆ NH₃×HOH, а образующийся гидрат NH₃×HOH далее диссоциирует необратимо, т.е. по типу сильного электролита: NH₃×HOH ® NH₄⁺ + OH^–.

3. Понятие степени окисления более подробно рассматривается в разделе 3 «Окислительно-восстановительные реакции» (стр. 20).

H₂SO₄ – серная кислота (S⁺⁶), H₂SO₃ – сернистая кислота (S⁺⁴);

HNO₃ – азотная кислота (N⁺⁵), HNO₂ – азотистая кислота (N⁺³);

H₃AsO₄ – мышьяковая кислота (As⁺⁵), H₃AsO₃ – мышьяковистая кислота (As⁺³);

H₃PO₄ – фосфорная кислота (P⁺⁵), H₃PO₃ – фосфористая кислота (P⁺³).

Названия солей кислородсодержащих кислот имеют суффикс -ат, если кислота образована элементом в высшей степени окисления; если данный элемент может иметь ещё одну (более низкую) степень окисления, то название соли в этом случае имеет суффикс -ит:

H₂SO₄ – сульфаты (S⁺⁶); H₂SO₃ – сульфиты (S⁺⁴);

HNO₃ – нитраты (N⁺⁵); HNO₂ – нитриты (N⁺³);

H₃AsO₄ – арсенаты (As⁺⁵); H₃AsO₃ – арсениты (As⁺³);

H₃PO₄ – фосфаты (P⁺⁵); H₃PO₃ – фосфиты (P⁺³).

Если элемент в кислородсодержащих кислотах может иметь более двух степеней окисления, то по мере понижения степени окисления суффиксы меняются в следующем порядке: -ная (-овая), -оватая, -истая, -оватистая.

HClO₄ HClO₃ HClO₂ HClO

хлорная хлорноватая хлористая хлорноватистая

Порядок построения названий солей кислородсодержащих кислот в том случае, если элемент может иметь более двух степеней окисления, показан на следующей схеме.

HСlO HClO₂ HClO₃ HClO₄

соли гипохлориты соли хлориты соли хлораты соли перхлораты

приставка гипо- суффикс -ит суффикс -ат приставка пер-

указывает на понижение (более низкая (более высокая указывает на повышение

степени окисления степень окисления) степень окисления) степени окисления

Если элемент в одной и той же степени окисления образует несколько кислородсодержащих кислот с разным содержанием молекул воды, то к названию кислоты с меньшим её содержанием добавляется приставка мета-, а при наибольшем её содержании – приставка орто- :

HBO₂ – метаборная кислота, H₃BO₃ – ортоборная кислота;

HAlO₂ – метаалюминиевая кислота, H₃AlO₃ – ортоалюминиевая кислота;

H₂SiO₃ – метакремниевая кислота, H₄SiO₄ – ортокремниевая кислота

HPO₃ – метафосфорная кислота, H₃PO₄ – ортофосфорная кислота

Названия бескислородных кислот состоят из двух частей: названия элемента, образовавшего кислоту и слова «водородная»: HF – фтороводородная, HCl – хлороводородная, HBr – бромоводородная, H₂S – сероводородная, H₂Se – селеноводородная, H₂Te – теллуроводородная.

Названия солей бескислородных кислот образуются от названия элемента и содержат суффикс -ид: соли HF – фториды, HCl – хлориды, HBr – бромиды, HI – иодиды, H₂S – сульфиды, H₂Se – селениды, H₂Te – теллуриды. Следует обратить внимание, что суффикс -ид характерен для названий бинарных соединений.

При выполнении заданий, связанных с написанием формул солей, следует учитывать, что любую соль можно рассматривать как продукт замещения атомов водорода в молекуле кислоты на атомы металла. При полном замещении, например, H₃PO₄ ® Na₃PO₄ образуются средние соли; при неполном H₃PO₄ ® Na₂HPO₄; H₃PO₄ ® NaH₂PO₄ – кислые соли.

Любую соль можно также рассматривать, как продукт, образующийся в результате замены гидроксогрупп основания на кислотный остаток; при полной замене получаются средние соли: Fe(OH)₃ ® Fe(NO₃)₃; при неполной замене – основные соли: Fe(OH)₃ ® FeOH(NO₃)₂; Fe(OH)₃ ® Fe(OH)₂NO₃.

Подавляющее большинство солей являются сильными электролитами и в водных растворах диссоциируют на катионы и анионы необратимо и полностью:

Fe₂(SO₄)₃ → 2 Fe³⁺ + 3 SO₄^2–

Ca(H₂PO₄)₂ → Ca²⁺ + 2 H₂PO₄^–

AlOH(NO₃)₂ → AlOH²⁺ + 2 NO₃^–

Анионы кислых и катионы основных солей далее диссоциируют по типу слабых электролитов:

H₂PO₄^– ⇆ H⁺ + HPO₄^2–

HPO₄^2– ⇆ H⁺ + PO₄^3–

AlOH²⁺ ⇆ Al³⁺ + OH^–

Для того чтобы правильно составить название соли, следует сначала назвать анион, а затем катион в родительном падеже. Примеры названий средних солей: Na₂SO₄ – сульфат натрия, AlCl₃ – хлорид алюминия, Fe₂(SO₄)₃ – сульфат железа (III), KMnO₄ – перманганат калия.

В состав аниона кислой соли входят незамещённые на металл атомы водорода. Если в составе аниона кислой соли присутствует один атом водорода, то в названии этого аниона появляется приставка гидро-, если два атома водорода – дигидро-, три атома водорода – тригидро- и т.д. Например, NaHSO₄ – гидросульфат натрия, Al(H₂PO₄)₃ – дигидрофосфат алюминия, Ca(HCO₃)₂ – гидрокарбонат кальция.

В состав катиона основной соли входят гидроксогруппы, не замещённые на кислотный остаток. Если в составе катиона основной соли присутствует одна гидроксогруппа, то в названии катиона появляется приставка гидроксо-, если две гидроксогруппы – дигидроксо-, три гидроксогруппы – тригидроксо- и т.д. Например, FeOHSO₄ – сульфат гидроксожелеза (III), (FeOH)₂CO₃ – карбонат гидроксожелеза (II), ZnOHCl – хлорид гидроксоцинка, (Al(OH)₂)₂SO₄ – сульфат дигидроксоалюминия.

Для того чтобы правильно записать формулу соли по её названию, необходимо:

1) записать химические символы катиона и аниона;

2) определить заряд катиона и заряд аниона;

3) расставить в формуле соли индексы, таким образом, чтобы число положительных зарядов равнялось числу отрицательных.

Пример 1.1 Ортофосфат кальция

1) Ca PO₄

2) Ca⁺² PO₄^–3

3) условие электронейтральности будет выполнено, если взять 3 иона Ca²⁺ и 2 иона PO₄^3–: формула соли – Ca₃(PO₄)₂.

Пример 1.2 Фосфат дигидроксоалюминия.

1) Al(OH)₂ PO₄

2) ион алюминия имеет заряд +3, каждый из двух гидроксид-ионов имеет заряд минус 1, поэтому катион дигидроксолюминия имеет заряд +1; заряд фосфат иона – минус 3: Al(OH)₂⁺ PO₄^3–

3) условие электронейтральности будет выполнено, если взять 3 иона Al(OH)₂⁺ и 1 ион PO₄^3–; формула соли: (Al(OH)₂)₃PO₄.

Пример 1.3 Гидрокарбонат магния

1) Mg HCO₃

2) ион магния имеет заряд +2; отрицательный заряд аниона кислотного остатка равен числу отщеплённых от молекулы кислоты ионов водорода: гидрокарбонат-ион образуется в результате отрыва от молекулы кислоты H₂CO₃ одного иона H⁺, следовательно, заряд гидрокарбонат иона – минус 1: Mg²⁺ HCO₃^–

3) условие электронейтральности будет выполнено, если взять 1 ион Mg²⁺ и 2 иона HCO₃^–; формула соли: Mg(HCO₃)₂.

Ниже приводится примеры построения графических формул веществ.

Пример 1.4 Написать графическую формулу ортофосфорной кислоты (H₃PO₄).

При построении графических формул кислородсодержащих кислот рекомендуется придерживаться определённой последовательности действий:

1) Записать символ элемента, которым образована кислота: P

2) Определить основность кислоты, т.е. число атомов водорода, способных заместиться на металл (3 атома H)

3) Каждый атом водорода, способный заместиться на металл, соединить химическими связями с атомом элемента через атом кислорода.

4) Соединить химическими связями оставшиеся атомы (кислорода и/или водорода) непосредственно с атомом элемента, образующим кислоту, учитывая, что водород одновалентен, а кислород двухвалентен.

При записи графических формул солей необходимо:

1) записать графическую формулу аниона (эту формулу легко получить из графической формулы кислоты, удалив атомы водорода); если в состав соли входит несколько анионов, то их удобно записывать друг под другом;

2) записать графическую формулу катиона (эту формулу можно получить из графической формулы основания, удалив гидроксогруппы); если в состав соли входит несколько катионов, то их удобно записывать друг под другом;

3) соединить свободные валентности анионов и катионов.

Пример 1.5 Fe₂(SO₄)₃

1) Графическая формула аниона получается из графической формулы серной кислоты, удалением всех атомов водорода (т.к. соль средняя).

2) Графическая формула катиона получается из графической формулы гидроксида железа (III), удалением всех гидроксогрупп (т.к. соль средняя).

3) В состав соли входит 2 катиона и 3 аниона; расположив катионы и анионы друг под другом, и, соединив свободные химические связи катионов со свободными химическими связями анионов, получим графическую формулу соли.

Пример 1.6 Ba(HCO₃)₂

1) Графическая формула аниона получается из графической формулы угольной кислоты, удалением только одного атома водорода (т.к. соль кислая).

2) Графическая формула катиона получается из графической формулы гидроксида бария удалением всех гидроксогрупп (т.к. соль кислая, а не основная).

3) В состав соли входит 1 катион и 2 аниона; расположив анионы друг под другом и соединив свободные химические связи катиона со свободными химическими связями анионов, получим графическую формулу соли.

Пример 1.7 (Al(OH)₂)₃PO₄

1) Графическая формула аниона получается из графической формулы фосфорной кислоты, удалением всех атомов водорода (т.к. соль основная, а не кислая).

2) Графическая формула катиона получается из графической формулы гидроксида алюминия удалением только одной гидроксогруппы (т.к. соль основная).

3) В состав соли входит 3 катиона и 1 анион; расположив катионы друг под другом и соединив свободные химические связи катионов со свободными химическими связями аниона, получим графическую формулу соли.

Пример 1.8 Написать химические формулы и названия всех солей, которые могут быть образованы гидроксидом алюминия и ортомышьяковой кислотой.

При выполнении этого задания следует учитывать, что в состав любой соли входят анионы кислотного остатка и катионы. Формулы анионов кислотного остатка можно получить, удаляя ионы водорода из молекулы кислоты:

H₃AsO₄ ® H₂AsO₄^– ® HAsO₄^2– ® AsO₄^3– .

Формулы катионов можно получить, удаляя гидроксогруппы из формулы гидроксида:

Al(OH)₃ ® Al(OH)₂⁺ ® AlOH²⁺ ® Al³⁺ .

Соединяя формулы катионов с формулами анионов Al³⁺ и AsO₄^3–; Al³⁺ и HAsO₄^2–; Al³⁺ и AsO₄^3–; Al(OH)₂⁺ и AsO₄^3– AlOH²⁺ и AsO₄^3– (соблюдая при этом правило электронейтральности: число положительных и отрицательных зарядов одинаково), получаем формулы солей:

Al(OH)₃ H₃AsO₄

¯ ¯

(Al(OH)₂)₃AsO₄ основная сольAl(OH)₂⁺ H₂AsO₄^– Al₂(HAsO₄)₃ кислая соль

¯ ¯

(AlOH)₂(AsO₄)₃ основная соль AlOH²⁺ HAsO₄^2– Al(H₂AsO₄)₃ кислая соль

¯ ¯

Al³⁺ AsO₄^3– AlAsO₄ средняя соль

AlAsO₄ – ортоарсенат алюминия

Al₂(HAsO₄)₃ – гидроортоарсенат алюминия;

Al(H₂AsO₄)₃ – дигидроортоарсенат алюминия;

(AlOH)₂(AsO₄)₃ – ортоарсенат гидроксоалюминия

(Al(OH)₂)₃AsO₄ – ортоарсенат дигидроксоалюминия