ОСНОВНІ КЛАСИ НЕОРГАНІЧНИХ СПОЛУК

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

КРИВОРІЗЬКИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ХІМІЇ

 

 

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

 

до виконання лабораторної роботи та самостійного вивчення розділу загальної хімії

«ОСНОВНІ КЛАСИ НЕОРГАНІЧНИХ СПОЛУК»

 

 

для студентів I курсу

всіх спеціальностей

денної та заочної форм навчання

 

Кривий Ріг

Укладачі: Мовчан В.В., Мовчан О.Г., кандидати хім. наук, доценти

 

Вiдповiдальний за випуск: Мовчан В.В.

 

Рецензент: к.х.н., доц. Удовенко О.П.

 

Методичні вказівки до виконання лабораторної роботи та самостійного вивчення розділу хімії «Основні класи неорганічних сполук» для студентів 1 курсу всіх спеціальностей містять основні відомості з класифікації, номенклатури, властивостей, добування та застосування неорганічних сполук, методики виконання дослідів, приклади, а також питання для самоконтролю та задачі для самостійного розв’язування.

 

 

РОЗГЛЯНУТО   на засіданні кафедри хімії	СХВАЛЕНО на вченій раді металургійного факультету
Протокол №   від «___» _______200_ р.	Протокол №   від «____» ________200_ р.

 

 

ЗМІСТ

1.Теоретична частина_ 4

1.1.Оксиди_ 4

1.2.Гідрати оксидів_ 9

1.2.1.Основи 9

1.2.2.Амфотерні гідроксиди_ 10

1.2.3.Кислоти_ 11

1.3.Солі _____________________________________________14

2.Практична частина_ 17

2.1.Лабораторна робота "Основні класи неорганічних сполук"_ _____________________________________________17

3.Домашня підготовка до лабораторної роботи_ 20

3.1.Запитання для самоконтролю_ 20

3.2.Задачі для самоконтролю_ 21

4.Література_ 23

 

Теоретична частина

Хiмiчнi сполуки рiзного якiсного та кiлькiсного складу подiляють на дві великi групи: неорганiчнi сполуки та органiчнi. Складні неорганiчнi сполуки дiлять на основнi та неосновнi класи. До основних класiв неорганiчних сполук вiдносять: оксиди, основи, кислоти та солi.

Взаємозв'язок між найважливішими класами неорганічних речовин ілюструє класична схема (рис.1.1).

Оксиди

Оксиди – це складні речовини, що складаються з двох елементів один з яких оксиген(кисень) в ступені окиснення -2

У оксидах усі атоми оксигену безпосередньо зв'язані з атомами більш електропозитивних елементів, а співвідношення компонентів відповідає правилам валентності, на відміну від усіх інших сполук елементів з оксигеном (пероксидів, супероксидів, озонідів, субоксидів).

У сполуках оксигену з флуором (фтором) аніоноутворю-вачем є більш електронегативний флуор, тому, наприклад, сполуку OF₂ відносять не до оксидів, а до фторидів, у яких ступінь окиснення оксигену +2.

Трапляються кисневi сполуки, якi можна вважати змiшаними оксидами, або ж солями, утвореними металом та кислотою того ж металу у вищому ступенi окиснення, наприклад:

Pb₂O₃ = PbO·PbO₂ = PbPbO₃ ; Fe₃O₄ = FeO·Fe₂O₃ = Fe(FeO₂)₂.

При написаннi структурних формул оксидiв необхiдно пам'ятати, що в оксидах, до складу яких входять кiлька атомiв одного і того ж елемента, зв'язок мiж ними здiйснюється через оксиген, наприклад: N₂O₃ - O=N-O-N=O.

За здатністю утворювати солі розрізняють несолетворні (N₂O, NO, CO) та солетворні оксиди. Останні поділяють на кислотні (СО₂, N₂O₅, CrO₃), основні (CaO, Na₂O, CrO) і амфотерні (ZnO, AI₂О₃, Сг₂О₃). В табл.1.1 наведено дані про хімічний характер оксидів залежно від ступеня окиснення елемента, а також формули відповідних гідратів оксидів.

 

 

Рис.1.1. Схема взаємозв`язку між найважливішими класами неорганічних сполук

За сучасною номенклатурою назви оксидів починаються словом "оксид", далі йде назва відповідного елемента в родовому відмінку, а якщо елемент^: утворює кілька оксидів, вказують його ступінь окиснення, наприклад, Al₂O₃ – оксид алюмінію, FeO – оксид феруму(II), Fе₂O₃ – оксид феруму(ІІІ), Р₂О₅ – оксид фосфору(V), С1₂О₇ – оксид хлору (VII) і т.д.

Кислотними називають оксиди, яким відповідають кислоти. Утворюють кислотні оксиди, як правило, неметали, а також метали з високим ступенем окиснення (від +5 до +8).

Таблиця 1.1.

Хімічний характер оксидів та відповідних їм форм гідратів оксидів

Ступінь окис-нення еле- мента	Фор-мула оксиду	Формула кислоти, гідрок-сиду	Хімічний характер оксидів
Основний	Амфотерний	Кислотний
+1	Е2О	Е(ОН)	Li, Na, K, Rb, Cs, Fr, Cu*, Ag*, Au*, Tl, Hg*	—	СІ, Вг
+2	EО	Е(ОН)2	Mg, Ca. Sr, Ba, Ra, Cd, Hg*, Eu, Sm, Yb, V, Cr, Mn, Re, Fe, Co,Ni	Be, Zn, Cu, Ge, Sn, Pb	—
+3	Е2О3	Е(ОН)3 ЕО(ОН)	Y, La, Ac, Tl, Ce. Gd, Yb, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Bi, V, Mn, Re	Au, Al, Ga, In, Sc, Sb, Cr, Fe, Ni, Co, Ir, Rh	В, N, Р, As
+4	EО2	Е(ОН)4 ЕО(ОН)2	Th, U, Pu, Am, Cm, Np	Ce, Ge, Sn, Pb, Ті, Zr, V, Mn	С, Si, S, Se, Те
+5	Е2О5	Е(ОН)5 ЕО(ОН)3 ЕО2(ОН)	Pa, Np, Pu	Nb, Та	N, Р, V, As, Sb
+6	ЕО3	ЕО2(ОН)2	—	U, Np, Pu, Am	S, Se, Те, Сг, Мо, W, Mn*, Re, Fe*, Xe
+7	Е2О7	ЕО3(ОН)	—	—	СІ, І, Mn, Re
+8	EО4	ЕО2(ОН)4	—	—	Os, Ru, Xe

*) елементи, для яких гідрати оксидів у вільному стані не добуто

 

При взаємодії з основами та основними оксидами кислотні оксиди утворюють солі, причому кислотний оксид входить до кислотного залишку:

СО₂ + 2NaOH = Na₂CO₃ + Н₂О; SiO₂ + СаО = СаSiO₃

СгО₃ + 2КОН = К₂СrO₄ + Н₂О ; N₂O₅ + Na₂О = 2NaN0₃

Р₂0₅+ ЗСа(ОН)₂ = Са₃(Р0₄)₂+ ЗН₂О; Mn₂O₇ + ВаО = Ba(MnO₄)₂

Більшість кислотних оксидів реагують з водою, утворюючи кислоти:
SO₃ + H₂O = H₂S0₄; N₂0₅ + Н₂0 = 2HN0₃ ,

але є оксиди, які з водою безпосередньо не взаємодіють (SiO₂, MoO₃). Їм відповідають нерозчинні у воді кислоти (H₂SiO₃, H₂MoO₄), які можна добути з відповідних солей реакціями обміну.

Якщо будь-яким способом від кислоти відняти воду, лишиться кислотний оксид. Тому кислотні оксиди ще називають ангідридами кислот (зневоднена кислота). На практиці, щоб знати, який ангідрид відповідає тій чи іншій кисневій кислоті, треба подумки відняти від кислоти воду до повного вилучення атомів гідрогену. Якщо ж до оксиду додати воду, знайдемо формулу кислоти, яка йому відповідає. Наприклад, кислотам H₂SeO₄, H₃PO₄, НСІО₄, Н₃ВО₃, відповідають ангідриди SeO₃, P₂O₅, C1₂O₇, B₂O₃, a оксидам SO₂, N₂O₃, V₂O₅, C1₂O, CrO₃, Мп₂О₇, відповідають кислоти H₂SO₃, HNO₂, HVO₃, HC1O, H₂CrO₄, HMnO₄.

Основним оксидам відповідають основи. Утворюють їх метали з низь­ким ступенем окиснення +1 або +2. Реагуючи з кислотами і кислотними оксидами, основні оксиди утворюють солі:

СuO + 2HNO₃ = Сu(NО₃)₂ + H₂O, Ag₂O + СгО₃ = Ag₂CrO₄

З водою основні оксиди, як правило, не реагують, за винятком оксидів самих активних металів - лужних і лужноземельних:

Li₂O + Н₂О = 2LiOH BaO + H₂O = Ba(OH)₂

Амфотерні оксиди мають властивості як основних, так і кислотних оксидів. Це залежить від того, з чим даний амфотерний оксид реагує - з кислотою (кис­лотним оксидом) чи з лугом (основним оксидом). Амфотерні оксиди утворю­ють теж лише метали, але із ступенем окиснення +3, +4, (іноді +2): BeO, ZnO, АІ₂О₃, SnО₂ та інш.

При вивченні хімічних властивостей амфотерних оксидів інколи труднощі викликають рівняння реакцій взаємодії їх з лугами та основни­ми оксидами. Слід пам'ятати, що обов'зковим продуктом таких реакцій є сіль, а оскільки амфотерний оксид виступає при цьому в ролі кислотного, він входить до кислотного залишку солі. Щоб визначити склад кислотного залишку, треба, як уже говорилося, подумки додати до оксиду воду (на­справді, амфотерні оксиди з водою не реагують) і встановити, яка кислотна форма відповідає даному оксиду. Так, оксиду ZnO відповідає кислотна фор­ма H₂ZnО₂, у оксиду А1₂О₃ є дві кислотні форми: НА1О₂ і Н₃А1О₃, оксиду SnO₂ відповідає кислота Н₂SnO₃ і т. д.

А1₂О₃+ 2NaOH 2NaAlO₂+ Н₂О; ZnO + ВаО BaZnO₂

Al₂O₃ + 6NаОН 2Nа₃АlO_з+ЗН₂О; SnO₂+K₂OK₂SnO₃

З кислотами та кислотними оксидами амфотерні оксиди реагують як основні:

ZnО + 2НСІ = ZnCl₂ + Н₂О; А1₂О₃+3SO₃Al₂(SO₄)₃
Таким чином, аналізуючи рівняння реакцій за участю оксидів приходимо до висновку, що між собою реагують оксиди, наділені протилежними функціями - кислотною і основною. Внаслідок реакції утворюється тільки сіль. При взаємодії оксидів з кислотою чи основою обов'язковими продуктами реакцій є сіль і вода.

Є кілька загальних способів добування оксидів, які широко застосо­вуються на практиці:

1) найпростіше оксид добути при взаємодії двох простих речовин за реакцією сполучення, але так можна одержати далеко не всі оксиди:

4Al + 3O₂ = 2Al₂O₃ 2Mg + O₂ = 2MgO

4P + 5O₂ = 2P₂O₅ S + O₂ SO₂

2) розклад складних кисневмісних речовин при нагріванні: H₂SiO₃SiO₂+H₂O NH₄NO₃N₂0+2Н₂0

2Аu(ОН)₃ Аu₂О₃ + ЗН₂О СаСОз СаО + СО₂

Cu(ОН)₂ СuО + Н₂О 4HNО₂ 2HNО₃ +NO+ Н₂О

3) горіння (окиснення) складних речовин у присутності кисню:

4NH₃+50₂ 4NO+6H₂0; СН₄+20₂С0₂ +2Н₂0

2ZnS+30₂2ZnO+2S0₂ ; 2NO₂ +O₃ N₂О₅ + O₂

г) з інших оксидів:

N0₂ +N0 = N₂O₃ ; Fе₂О₃ + C02FеО+C0₂

 

1.2. Гідрати оксидів

Важливу групу серед складних сполук становлять гідрати оксидів (гідроксиди) – продукти прямої або посередньої взаємодії оксидів з водою. Наприклад, основні оксиди утворюють з водою основні гідроксиди (основи), кислотні оксиди – кислотні гідроксиди (кислоти), а амфотерні оксиди – амфотерні гідроксиди (амфоліти). Склад гідроксидів виражають загальною формулою ЕО_m(ОН)_n (табл. 1.1) , де m=0…4, а n=1...6 у реально існуючих гідроксидів. Якщо m=0, то гідроксиди Е(ОН)_n можуть мати як основний, так і кислотний характер, причому зі збільшенням ступеня окиснення елемента Е основні властивості послаблюються, а кислотні посилюються. Якщо m0, то гідроксиди ЕО_m(ОН)_n мають винятково кислотні властивості, і зі зростанням m сила кислот зростає.

Основи

За теорією електролітичної дисоціації Арреніуса дооснов належать сполуки, які складаються з катіонів (металів, амонію) і гідроксогруп ОН^-, здатних заміщуватись на кислотний залишок, для їх назви ще часто використовують загальний термінгідроксиди: NaOH - гідроксид натрію, NH₄OH- гідроксид амонію, Fe(OH)₂ - гідроксид феруму (II), Fe(OH)₃ - гідроксид феруму (III) і т.д. Основи ділять на розчинні у воді або луги (гідроксиди найбільш активних металів - лужних та лужноземельних) і практично нерозчинні - гідроксиди інших металів.

Носієм основних властивостей у водних розчинах є гідроксильні групи ОН^-, які утворюються в процесі розчинення і електролітичної дисоціації вказаних сполук і зумовлюють мильні на дотик властивості розчину, забарвлення індикаторів і характерні хімічні властивості. Завдяки йонному зв'язку розчинні у воді гідроксиди металів (луги) практично повністю дисоціюють на йони і мають високу хімічну активність. Нерозчинні гідроксиди надсилають луже мало ионів ОН^-у розчин і тому в хімічному відношенні досить інертні.

Всі без винятку основи взаємодіють з кислотами (реакція нейтралізації), внаслідок чого утворюються сіль і вода:

2NaOH + Н₂SiОз = Na₂Si0₃ + 2Н₂О

Cu(OH)₂ + 2НNО₃= Cu(N0₃)₂ + 2Н₂О

Крім того, луги взаємодіють з оксидами (кислотними і амфотерними):

Ва(ОН)₂ + СО₂ = ВаСО₃ + Н₂О

2КОН+Сr₂О₃ =2КСrО₂ + Н₂О

солями, витискуючи нерозчинні у воді й газоподібні продукти:

2NaOH+CuS0₄=Na₂SO₄+Cu(OH)₂↓

Ba(OH)₂+Na₂SО₄=2NaOH+BaS0₄↓

Ca(OH)₂+2NH₄Cl =СаС1₂+2Н₂0+2NНз↑

Більшість основ, крім гідроксидів лужних металів, при нагріванні розкладаються на відповідний оксид і воду:

2А1(ОН)₃ АІ₂О₃ + ЗН₂О; Са(ОН)₂СаО + Н₂О

Луги добувають при взаємодії металу або його оксиду з водою, а також з солей шляхом обмінних реакцій з іншими лугами:

2Li +2Н₂О = 2LiOH + Н₂; СаО+Н₂0=Са(ОН)₂

К₂СО₃ +Са(ОН)₂ = 2КОН + СаСО₃

Основи, які мають промислове значення (NaOH, KOH), одержують у великих масштабах електролізом водних розчинів їх солей:

2NaCl+2H₂0 2NaOH + H₂↑ + Cl₂↑

катод анод

1.2.2. Амфотерні гідроксиди

Амфотерні гідроксиди – це гідрати амфотерних оксидів. В залежності від умов вони можуть відщеплювати при дисоціації йони H⁺ чи ОН^-і, як і відповідні амфотерні оксиди, взаємодіють з кислотами і лугами. Але записують їх як основи: Zn(OH)₂, AI(OH)₃, Sn(OH)₄. Коли амфотерний гідроксид взаємодіє з кислотою, проявляється його основна функція:

2Cr(OH)₃ + 3H₂SO₄ = Cr₂(SO₄)₃ + 6H₂0,

якщо ж до нього додавати луг, проявляється кислотна функція, і метал. що утворив амфотерний гідроксид, входить до складу кислотного залишку:

Сг(ОН)₃ + NaOH= Na[Cr(OH)₄] - у водному розчині,

Cr(OH)₃+NaOHNaCiO₂ +2H₂0 - при нагріванні.

Всі амфотерні гідроксиди металів нерозчинні у воді. Тому добувають їх з відповідних солей, витискуючи лугами. Але розчин лугу треба додавати обережно, невеликими порціями, бо осад гідроксиду, що утворюється, може розчинитися в надлишку лугу:

SnCl₄ + 4NaOH=4NaCl + Sn(OH)₄↓

Sn(OH)₄+2NaOH= Na₂[Sn(OH)₆]

При нагріванні амфотерні гідроксиди втрачають воду і перетворюються на відповідні амфотерні оксиди. Ця реакція - необоротна.

Кислоти

Назви безкисневих кислот походять від назв елементів, що їх утворюють, або від міжнародних назв кислотних залишків з закінченням-на: НС1 -… Згідно з правилами IUPAC назви кисневих кислот також походять під міжнародних… - хлорна - сірчана - ванадієва

Практична частина

2.1. Лабораторна робота "Основні класи неорганічних сполук"   Дослiд 1. Добування оксидiв взаємодiєю металу з киснем при нагрiваннi.

Запитання для самоконтролю

1. Який існує взаємозв'язок між найважливішими класами неорганічних сполук? 2. Як поділяють сполуки з оксигеном за складом і властивостями? 3. Що таке оксиди? Які бувають оксиди? Їх номенклатура.