Гідроксиди

ЗМІСТ

ВСТУП

Хімія – це наука, що вивчає будову, властивості речовин, можливості їх взаємодії та взаємних перетворень. Вона має величезне значення для розуміння сутності різних явищ природи, біохімічних процесів в організмах, їх взаємозв’язку і взаємозумовленості, оскільки і живі організми, і нежива природа складаються з одних і тих самих елементів. Однак на групу органогенних елементів (Гідроген, Оксиген, Карбон, Нітроген, Сульфур і Фосфор) припадає 99, 7 %, а на решту – лише 0, 3 %.

Пізнаючи природні явища, людина прагне керувати ними, відкривати і створювати нові речовини з наперед заданими властивостями. Щорічно у світі синтезуються тисячі хімічних сполук, яких раніше не було у природі. Серед них більшість корисних, але є шкідливі, токсичні й навіть дуже небезпечні речовини. Ось чому потрібно вивчати будову атомів і молекул, їх властивості, а також закономірності перебігу хімічних і біохімічних реакцій. Хімічні дослідження дозволяють передбачити напрямок процесів, оцінити супровідні їм теплові ефекти, виявити можливості збільшення виходу корисного продукту.

До основних завдань сучасної хімії належать профілактика та запобігання забрудненню довкілля, розроблення екологічно безпечних технологій, вирішення глобальних екологічних проблем, що вже постали перед людством.

Цей посібник має на меті висвітлення фундаментальних закономірностей перебігу хімічних процесів, які відбуваються під час взаємодії різних речовин, пояснення причин і можливостей взаємного перетворення представників основних класів неорганічних сполук. Особливу увагу приділено застосуванню стехіометричних законів до проведення розрахунків за рівняннями хімічних реакцій, установленню залежності хімічних властивостей речовин від будови атомів і молекул, типу хімічного зв’язку та геометричної форми молекул, агрегатного стану речовини.

У посібнику наведено приклади розв’язання типових і ускладнених задач, подано програмні питання та запитання для самостійної підготовки з урахуванням різного рівня попередньої підготовки студентів.

Посібник призначено для студентів Інституту енергозбереження та енергоменеджменту НТУУ“КПІ”.

1. Класифікація неорганічних сполук

Оксиди

Знаючи властивості основних класів неорганічних сполук, можна теоретично передбачити хімічну поведінку речовин, які мають подібні властивості. Запропонована класифікація розглядає сполуки елементів з Окси-геном, але містить і деякі безоксигенові сполуки. Однак і вона не може охопити все різноманіття хімічних речовин.

Зазвичай виділяють такі основні класи неорганічних сполук: оксиди, кислоти, основи, амфотерні гідроксиди і солі.

Оксиди - це бінарні (тобто утворені з двох типів різних атомів) сполуки елементів з Оксигеном, причому Оксиген в оксидах має ступінь окиснення мінус 2. Отже, в оксидах немає зв’язку атомів Оксигену між собою.

Нагадаємо, що ступінь окиснення елемента – це такий заряд, який виник би на атомі за умови утворення іонних зв’язків з іншими атомами у хімічній сполуці.

Оксиди відомі практично для всіх хімічних елементів за винятком Гелію, Нeону, Aргону та Флуору.

Загальні формули оксидів:

₂О, О, ₂О₃, О₂, ₂О₅, О₃, ₂О₇ і О₄,

де Е - символ хімічного елемента (металу чи неметалу).

Бінарні сполуки типу та інші належать до пероксидів, в котрих оксиген має ступінь окиснення -1: (Na⁺¹-О^-1-О^-1-Na⁺¹).

Оксиди за їх хімічним характером поділяють на солетворні (основні, кислотні та амфотерні) та несолетворні (індиферентні).

Зазвичай хімічний характер оксиду визначається його відношенням до кислот (або кислотних оксидів) і лугів (або основних оксидів лужних і лужно-земельних металів).

Основні оксиди - це завжди оксиди металів, які мають ступінь окиснення +1, +2. Наприклад: Na₂О, K₂О, CuO, MgO, CaO, MnО.

Гідратні сполуки (гідроксиди) основних оксидів є основами. Виняток - оксиди які мають амфотерні властивості. Взаємодіючи з кислотами та кислотними оксидами, основні оксиди утворюють солі:

Na₂O + H₂SO₄= Na₂SO₄ + H₂O

Na₂O + SO₃= Na₂SO₄

Між собою основні оксиди не реагують.

Кислотні оксиди (ангідриди відповідних кислот) – це оксиди, гідратні сполуки яких є кислотами. До них належать майже всі солетворні оксиди неметалів, а також значна кількість оксидів металів, у яких ступінь окиснення металу п’ять і вище, наприклад: B₂О₃, SiО₂, N₂О₅, SО₃, V₂О₅, CrО₃, Mn₂О₇ тощо. Кислотні оксиди реагують з основами, основними й амфотерними оксидами з утворенням солей:

SO₃ + 2NaOH= Na₂SO₄ + H₂O

SO₃ + CaO = CaSO₄

3SO₃ + Al₂O₃= Al₂(SO₄)₃

Амфотерні оксиди залежно від умов виявляють властивості і основних, і кислотних оксидів, тобто здатні реагувати і з кислотами, і з основами з утворенням солей. Вони можуть утворювати солі з кислотними та основними оксидами, а також взаємодіючи між собою:

ZnO + H₂SO₄= ZnSO₄ + H₂O

ZnO + 2NaOH= Na₂ZnO₂ + H₂O

До амфотерних оксидів належать та більшість оксидів металів зі ступенями окиснення +3, +4. Відповідні їм гідроксиди також мають амфотерний характер.

Оксиди, які не утворюють солей, реагуючи з іншими речовинами, називаються несолетворними. До них належать оксиди: СО, SiО, N₂O та NO, які не виявляють основних і кислотних властивостей. Але індиферентні вони лише під час реакцій солеутворення, вони можуть активно взаємодіяти в хімічних реакціях іншого типу.

Із найважливіших методів одержання оксидів зазначимо такі:

· Безпосереднє сполучення елементів з киснем:

2Cu + O₂ = 2CuO

S + O₂ = SO₂

· Окиснення хімічних сполук киснем або повітрям:

CuS + 3O₂= 2CuO + 2SO₂

· Розкладання гідратних сполук (гідроксидів):

Cu(OH)₂ = CuO + H₂O↑

H₂SiO₃ = SiO₂ + H₂O↑

· Розкладання солей оксигенвмісних кислот:

CaCO₃ = CaO + CO₂↑

Гідроксиди

Більшість оксидів прямо чи посередньо здатні утворювати гідратні сполуки - гідроксиди. Залежно від їх хімічного характеру це можуть бути основи, кислоти або амфотерні гідроксиди.

Залежно від хімічної природи гідроксиди по-різному дисоціюють під дією полярних молекул води, що й дає можливість віднести їх до основ, кислот або амфотерних гідроксидів.

Дисоціація гідратних сполук може відбуватися за такими схемами:

1) за типом основи: Е(ОН) _х Е ^{х +} + х ОН^- ;

2) за типом кислоти: Н _х ЕО _у х Н⁺ + ЕО _у^{х -} ;

3) для амфотерного гідроксиду:

Е ^{х +} + х ОН^- Е(ОН) _х х Н ⁺ + х ЕО _х^{х -}.

Характер дисоціації гідроксиду залежить від енергії, потрібної для розриву хімічного зв’язку між Е ^{х +} та О^2- або між О^2- та Н⁺.

Основами називають гідратні сполуки основних оксидів. Загальна формула основ М(ОН) _х, де М - метал, наприклад: NaОН, KОН, Са(ОН)₂, Fe(OH)₂, Со(ОН)₂, Іn(OH)₃ тощо. Основою також називають водний розчин амоніаку NH₃× H₂O (умовна формула NH₄ОН).

Подібно до основних оксидів, основи здатні утворювати солі з кислотами та ангідридами кислот; між собою вони не реагують.

Основи, розчинні у воді, називають лугами. До них відносять гідратні сполуки лужних і лужноземельних металів (LiOH, NaОН, KОН, Са(ОН)₂, Ва(ОН)₂), а також гідроксид Талію.

На сьогодні такі основи, як AgOH, HgOH i Hg(OH)₂ у вільному стані не виділено.

До головних способів одержання основ належать:

1) безпосереднє сполучення основного оксиду з водою (під час утворення лугу): Na₂O + H₂O = 2NaOH

2) взаємодія лужного або лужноземельного металу з водою (порівняно малопоширений спосіб):

Na + H₂O = 2NaOH + H₂

3) взаємодія солей з лугами: CuSO₄ + 2NaOH = Cu(OH)₂ ↓ + Na₂SO₄

4) електроліз водних розчинів солей: 2NaCl + 2H₂O= H₂↑ + Cl₂↑ + 2NaOH

Кислотами називають гідратні сполуки кислотних оксидів (оксигенвмісні кислоти), а також водні розчини деяких гідрогенних сполук неметалів безоксигенні кислоти: H₂S, HCl, HBr, HCN, HI тощо). Вони мають іон Гідрогену Н⁺, здатний заміщуватись катіоном металу або амонійною групою NH₄⁺ під час утворення солі.