Класифікація неорганічних сполук за функціональними ознаками

Речовини, що складаються з атомів різних хімічних елементів, називають хімічними сполуками.

Поведінку сполук у хімічних реакціях визначають формульні одиниці – елементарні ланки, склад яких відображує якісний і кількісний склад речовин за типом з’єднаних атомів та співвідношенням їх кількості.

Хімічна формула речовини інформує про склад молекул для речовин з молекулярною будовою (існують реальні формульні одиниці) або визначає, які іони за складом і в якому співвідношенні містяться у кристалічній ґратки для іонних сполук.

За встановленими правилами IUPAC для кожної сполуки формульна одиниця складається з електропозитивної частини – «катіона» та електронегативної частини – «аніона». Відповідно до запропонованої структури формульних одиниць утворюють назву сполуки поєднанням назв відповідних катіонів та аніонів.

За хімічною природою речовини розділяють на основи, кислоти, амфотерні гідроксиди, оксиди, солі.

Основи

Формульні одиниці основ складаються з катіонів металу та гідроксид-іонів: Ме(ОН)_n, де n = 1,2.

Назви основ утворюють з назви катіону, що відповідає назві елементу з наведенням ступеню окиснення, та слова «гідроксид», наприклад:

Fe(OH)₂ – ферум (ІІ) гідроксид;

NaOH – натрій гідроксид.

Розчинні у воді основи, утворені лужними та лужноземельними металами, називають лугами. Це LiOH, NaOH, KOH, RbOH, Ca(OH)₂, Sr(OH)₂, Ba(OH)₂.

До основ належить і амонію гідроксид NH₄OH. Іон амонію NH₄⁺, що входить до складу формульної одиниці основи, виявляє схожі властивості з іонами лужних металів, тому він одержав назву металоподібного катіону.

За силою можна розрізнити дві групи основ: сильні (LiOH, NaOH, KOH, CsOH, Sr(OH)₂, Ba(OH)₂) та слабкі (NH₄OH, Mg(OH)₂, Bi(OH)₃). За числом гідроксогруп у формульних одиницях основи розділяють на однокислотні – LiOH, KOH; двокислотні – Mg(OH)₂, Ni(OH)₂; трикислотні – Bi(OH)₃ тощо.

Кислоти

Формульні одиниці кислот складаються з гідроген-катіонів та аніону кислотного залишку: H_nA. Найпростіші за складом кислоти розглядають як бінарні сполуки гідроген-катіона. Їх назви починають з гідроген-катіону, а потім додають назву безоксигенового аніону . Також можна вивести назву кислоти, застосувавши назву відповідного аніона, додаючи до нього закінчення –на та слово «кислота» (Табл. 5.1).

Таблиця 5.1. Систематичні назви безоксигенових кислот

Аніон, що утворює кислоту	Формула кислоти	Систематична назва кислоти	Традиційна назва кислоти
Cl- хлорид-іон	HCl	Гідроген хлорид, хлоридна кислота	Хлороводнева (соляна) кислота
Br- бромід-іон	HBr	Гідроген бромід, бромідна кислота	Бромоводнева кислота
S2- сульфід-іон	H2S	Дигідроген сульфід, сульфідна кислота	Сірководнева кислота

Для оксигеновмісних кислот H_nЕО_z назви утворюють аналогічно з використанням тривіальних назв аніонів.

Таблиця 5.2. Систематичні назви оксигеновмісних кислот

Назва аніона кислот	Назва кислоти
SO42- - сульфат	Сульфатна кислота
PO43- - фосфат	Фосфатна кислота
NO3- - нітрат	Нітратна кислота
NO2- - нітрит	Нітритна кислота
CO32- - карбонат	Карбонатна кислота
CN- - ціанід	Ціанідна кислота
ClO- - гіпохлорид	Гіпохлоридна кислота

За систематичним підходом назва оксигеновмісної кислоти будується, починаючи з гідроген-катіону та назви аніону. Назва багатоатомного аніону складається з переліку числа оксо-іонів і назви елементу – центрального атома з суфіксом -ат- з вказаним валентним станом. Наприклад:

H₂SO₃ – дигідроген триоксосульфат (IV)

HMnO₄ – гідроген тетраоксоманганат (VII).

Число іонів гідрогену в формульних одиницях кислот, здатних до реакції з гідроксогрупами основ, визначає їх основність.

- одноосновні: HCl, HBr, HNO₃, HClO₄;

- двоосновні: H₂SO₄, H₂S, H₂SO₃, H₂TeO₄;

- трьохосновні: H₃AsO₄, H₃VO₄.

За силою розрізняють дві групи кислот: слабкі та сильні нелеткі кислоти. Наприклад:

Слабкі кислоти	Сильні нелеткі кислоти
CH3COOH H2SO3 H5IO6 H2S	H2SO4 HNO3 HCl HClO4

За Л. Полінгом до сильних оксигенвмісних кислот відносять такі, загальна формула яких , якщо m≥2. Наприклад:

H2SO3 (HO)2SOm=1<2 слабка кислота

H2SO4 (HO)2SOm=2 сильна кислота

Амфотерні гідроксиди

Такі сполуки можуть виявляти під час хімічних реакцій властивості як основ, так і кислот в залежності від природи іншого реагенту, який бере участь у кислотно-основній взаємодії. Амфотерні властивості виявляють гідроксиди металів зі ступенем окиснення +3 і +4. Як виняток, амфотерні гідроксиди утворюють метали із ступенем окиснення +2: Sn(OH)₂, Pb(OH)₂, Be(OH)₂, Zn(OH)_2.

Найчастіше формульні одиниці амфотерних гідроксидів наводять у формі відповідної основи, назви амфотерних гідроксидів будуються за тим же принципом, що і назви основ:

Sn(OH)₂ – станум (ІІ) гідроксид;

Cr(OH)₃ – хром (ІІІ) гідроксид.

Для ілюстрації виявлення амфотерними гідроксидами властивостей кислот можна представити їх формулу в такій формі, як прийнято наводити кислоти – розмістити гідроген-іон на першому місці, наприклад Cr(OH)₃ º H₃CrO₃.

Солі

Тверді речовини з іонною кристалічною ґраткою, вузли якої зайняті катіонами – залишками основ, та аніонами – залишками кислот. Формули солей відображують співвідношення числа іонів в структурі кристалу: { }.

В цілому умовна формульна одиниця солі має бути електронейтральною: сумарний заряд катіонів солі має дорівнювати добутку заряду аніону та числа цих аніонів.

Всі солі розділяють на такі підгрупи: 1) середні, 2) кислі, 3) основні.

Середні солі

Утворити формульну одиницю середньої солі можна, здійснивши повне заміщення гідроген-іонів кислот на катіони залишки основ Meⁿ⁺ або внаслідок заміщення всіх гідроксид-іонів основ на аніони залишки кислот A^y-.

Основна закономірність, яка пояснює утворення середніх солей полягає у наявності хімічної спорідненості між речовинами, що мають протилежний хімічний характер, а саме: кислоти та основи реагують між собою з утворенням середньої солі та води.

Ba(OH)₂ + 2HCl = BaCl₂ + 2H₂O

2NH₄OH + H₂SO₄ = (NH₄)₂SO₄ + 2H₂O

3KOH + H₃PO₄ = K₃PO₄ + 3H₂O

Утворені середні солі BaCl₂, K₃PO₄, (NH₄)₂SO₄ були одержані при повному заміщені гідроген-іонів відповідно одноосновної хлоридної кислоти HCl, двохосновної сульфатної кислоти H₂SO₄, трьохосновної фосфатної кислоти H₃PO₄ залишками основ – катіонами металів.

Індекси, які з’являються у формулах солей, визначають заряди катіонів і аніонів. Наприклад, електронейтральність формульної одиниці забезпечується поєднанням трьох позитивно заряджених іонів – залишків основи К¹⁺ з одним трьохзарядним аніоном PO₄^3-.

Назви середніх солей утворюють з назв катіонів і аніонів з відповідними префіксами:

BaCl₂ – барій хлорид,

K₃PO₄ – трикалій фосфат,

(NH₄)₂SO₄ – диамоній сульфат.

Утворення середніх солей також відбувається при взаємодії амфотерних гідроксидів з кислотами чи основами. Реагуючи з кислотами, амфотерні гідроксиди виявляють властивості основ. В утворюваній солі як катіон використовується іон Meⁿ⁺ з амфотерного гідроксиду:

Zn(OH)₂ + 2H⁺(ClO₄)^-1 = Zn⁺²(ClO₄)₂^-1 + 2H₂O

цинк хлорат (VII)

Реагуючи з основами, амфотерні гідроксиди виявляють властивості кислот. Тому формулу амфотерного гідроксиду записують у формі кислоти, переміщуючи гідроген на перше місце. Так, для Zn(OH)₂ відповідна форма кислоти буде H₂ZnO₂. До складу утворюваної солі слід включати аніон кислотного залишку (ZnO₂)^2- та катіон відповідної основи:

H₂ZnO₂ + 2КОН = К⁺₂(ZnO₂)^-2 + 2H₂O

дикалій цинкат

Для утворення поганорозчинних середніх солей застосовують реакцію іонного обміну – це перетворення у розчині, під час якого речовини частково або повністю обмінюються іонами. Загальна схема взаємодії у рівняннях обміну наведена нижче.

Напрям І:

сіль (Х) розчинна + сіль (Y) розчинна ® продукт + сіль (R)

Поганорозчинна

сіль (Z)

При складанні рівнянь реакцій слід використовувати дані про розчинність солей з таблиць розчинності. Наприклад, при взаємодії розчинів Fe₂(SO₄)₃ та BaCl₂ може утворюватись поганорозчинна сіль BaSO₄.

Fe₂(SO₄)₃ + 3BaCl₂ = 3 BaSO₄¯ + 2FeCl₃

Аналогічно, при взаємодії розчинів K₃PO₄ та Pb(NO₃)₂ можна одержати осад Pb₃(PO₄)₂.

3 Pb(NO₃)₂ + 2 K₃PO₄ = 6KNO₃ + Pb₃(PO₄)₂¯

Напрям ІІ.

сіль (Х) розчинна + кислота розчинна ® продукт + кислота

Поганорозчинна

сіль (Y)

3 Pb(NO₃)₂ + H₂SO₄ = 2 PbSO₄¯ + 2 HNO₃

Напрям ІІІ.
сіль (Х) розчинна + розчин лугу ® осад поганорозчинної солі (Y) + розчинна основа

2 Na₃PO₄ + 3 Ba(OH)₂ = Ba₃(PO₄)₂¯ + 6 NaOH

Кислі солі

Формульні одиниці кислих солей складаються з катіонів Meⁿ⁺ - залишків основ та гідрогенвмісних аніонів – залишків багатоосновних кислот: .

Добування кислих солей можна здійснити за допомогою реакції взаємодії надлишку багатоосновної кислоти з основою.

KOH + H₃PO₄ = KH₂PO₄ + H₂O

Реакцію здійснюють, додаючи до багатоосновної кислоти розчин лугу, взятого у кількості, недостатній для повної нейтралізації кислоти (тобто для одержання середньої солі).

Інший метод одержання кислих солей полягає у взаємодії середніх солей багатоосновних кислот з однойменною кислотою.

Ba₃(AsO₄)₂ + H₃AsO₄ = 3Ba⁺²(H₂AsO₄)^-1₂.

Більшість кислих солей легко розчиняються у воді.

Назви кислих солей утворюються з назви катіону та аніону, який доповнюється словом «гідроген» з відповідним числовим префіксом:

KH₂PO₄ – калій дигідрогенфосфат,

Ba(H₂AsO₄)₂ – барій дигідрогенарсенат.

Кислі солі, як і середні, можуть у розчині брати участь в реакціях іонного обміну згідно з двома схемами:

кисла сіль + середня сіль ® осад середньої солі + кисла сіль

розчинні сполуки

3 Ba(HCO₃)₂ + 2Na₃PO₄ = Ba₃(PO₄)₂¯ + 6 NaHCO₃

кисла сіль, + сильна нелетка ® слабка або нестійка + середня сіль утворена слабкою кислота кислота

Чи леткою

Кислотою

Ba(H₂PO₄)₂ + H₂SO₄ = H₃PO₄ + BaSO₄¯

Ca(HS)₂ + HCl = H₂S­ + CaCl₂

Аналогічно до кислот кислі солі реагують з основами, утворюючи середні солі:

3 Ba(H₂PO₄)₂ + 6 Ca(OH)₂ = 2 Ca₃(PO₄)₂ + Ba₃(PO₄)₂ + 6 H₂O

Основні солі

Формульні одиниці основних солей складаються з гідроксокатіонів - залишків багатокислотних основ та аніонів - залишків кислот.

Добути основні солі можна під час реакції багатокислотної основи (амфотерного гідроксиду), взятих у надлишку, з кислотами.

Zn(OH)₂ + HNO₃ = [Zn(OH)]NO₃ + H₂O

Інший метод добування основних солей – це взаємодія середньої солі, утвореної багатозарядним іоном металу, з розчином лугу, взятого у кількості, недостатній для повного заміщення аніонів солі. Так, при співвідношенні кількості

сіль : луг = 1 : 2

можливим є заміщення двох кислотних залишків солі хром (ІІІ) нітрату на гідроксогрупи.

Cr(NO₃)₃ + 2 KOH = [Cr(OH)₂]NO₃ + KNO₃

Утворені основні солі, як правило, малорозчинні у воді.

Добування основних солей за реакціями іонного обміну з гідролізом.

Під час утворення в розчині солей, до складу яких входять багатозарядні катіони металів та аніони слабких кислот, відбувається їх гідроліз. Продуктом гідролізу (тобто реакції обміну з водою) таких солей може бути основна сіль, наприклад:

2ZnSO₄ + 2Na₂CO₃ + H₂O ® [Zn(OH)]₂CO₃ + 2Na₂SO₄ + CO₂↑

Al₂(SO₄)₃ +6NaCH₃COO + H₂O ® 2[Al(OH)](CH₃COO)₂ + 3Na₂SO₄ + 2CH₃COOH

2CuSO₄ + 2Na₂CO₃ + H₂O ® [Cu(OH)]₂CO₃ + 2Na₂SO₄ + CO₂↑

Назви основних солей складають з назви катіону металу, додаючи до неї слово «гідроксид» з відповідним числовим префіксом та назви аніону:

[Cr(OH)₂]NO3 – хром (ІІІ) дигідроксиднітрат,

[Al(OH)]SO₄ – алюміній гідроксидсульфат.

Основні солі, хоч і характеризуються незначною розчинністю, можуть перетворюватись у менш розчинні сполуки під час реакцій іонного обміну.

Наводимо два основні напрямки здійснення реакцій обміну:

основна сіль + розчин лугу ® поганорозчинна основа + середня