Классификация неорганических веществ

МЕТАЛЛЫ И НЕМЕТАЛЛЫ

Все химические элементы разделяют на металлы и неметаллы в зависимости от строения и свойств их атомов. Также на металлы и неметаллы классифицируют образуемые элементами простые вещества, исходя из их физических и химических свойств.

В Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева неметаллы расположены по диагонали: бор – астат и над ней в главных подгруппах.

Для атомов металлов характерны сравнительно большие радиусы и небольшое число электронов на внешнем уровне от 1 до 3 (исключение: германий, олово свинец – 4; сурьма и висмут - 5; полоний - 6 электронов).

Атомам неметаллов, наоборот, свойственны небольшие радиусы атомов и число электронов на внешнем уровне от 4 до 8 (исключение бор, у него таких электронов – три).

Отсюда стремление атомов металлов к отдаче внешних электронов, т.е. восстановительные свойства, а для атомов неметаллов – стремление к приему недостающих до устойчивого восьмиэлектронного уровня электронов, т.е. окислительные свойства.

 

Металлы

 

В металлах – металлическая связь и металлическая кристаллическая решетка. В узлах решетки находятся положительно заряженные ионы металлов, связанные посредством обобществленных внешних электронов, принадлежащих всему кристаллу.

Это обуславливает все важнейшие физические свойства металлов: металлический блеск, электро- и теплопроводность, пластичность (способность изменять форму под внешним воздействием) и некоторые другие, характерные для этого класса простых веществ.

Металлы I группы главной подгруппы называют щелочными металлами.

Металлы II группы: кальций, стронций, барий – щелочноземельными.

 

Химические свойства металлов

 

В химических реакциях металлы проявляют только восстановительные свойства, т.е. их атомы отдают электроны, образуя в результате положительные ионы.

1. Взаимодействуют с неметаллами:

а) кислородом (с образованием оксидов)

Щелочные и щелочноземельные металлы окисляются легко при обычных условиях, поэтому их хранят под слоем вазелинового масла или керосина.

4Li + O₂ = 2Li₂O

2Ca + O₂ = 2CaO

 

Обратите внимание: при взаимодействии натрия – образуется пероксид, калия - надпероксид

2Na + O₂ = Na₂O₂, К + О2 = КО2

а оксиды получают прокаливанием пероксида с соответствующими металлом:

2Na + Na₂O₂ = 2Na₂O

 

Железо, цинк, медь и другие менее активные металлы медленно окисляются на воздухе и активно при нагревании.

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄ (смесь двух оксидов: FeO и Fe₂O₃)

2Zn + O₂ = 2ZnO

2Cu + O₂ = 2CuO

 

Золото и платиновые металлы не окисляются кислородом воздуха ни при каких условиях.

 

б) водородом (с образованием гидридов)

2Na + H₂ = 2NaH

Ca + H₂ = CaH₂

 

в) хлором (с образованием хлоридов)

2K + Cl₂ = 2KCl

Mg + Cl₂ = MgCl₂

2Al + 3Cl₂ =2AlCl₃

 

Обратите внимание: при взаимодействии железа образуется хлорид железа (III):

2Fe + 3Cl₂ = 2FeCl₃

 

г) серой (с образованием сульфидов)

2Na + S = Na₂S

Hg + S = HgS

2Al + 3S = Al₂S₃

 

Обратите внимание: при взаимодействии железа образуется сульфид железа (II):

Fe + S = FeS

 

д) азотом (с образованием нитридов)

6K + N₂ = 2K₃N

3Mg + N₂ = Mg₃N₂

2Al + N₂ = 2AlN

 

2. Взаимодействуют со сложными веществами:

Необходимо помнить, что по восстановительной способности металлы расположены в ряд, который называют электрохимическим рядом напряжений или активности металлов (вытеснительный ряд Бекетова Н.Н.):

 

Li, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Co, Ni, Sn, Pb, (H₂), Cu, Hg, Ag, Au, Pt

 

а) водой

Металлы, расположенные в ряду до магния, при обычных условиях вытесняют водород из воды, образуя растворимые основания – щелочи.

2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂↑

Ba + H₂O = Ba(OH) ₂ + H₂↑

 

Магний взаимодействует с водой при кипячении.

Mg + 2H₂O = Mg(OH) ₂ + H₂↑

 

Алюминий при удалении оксидной пленки бурно реагирует с водой.

2Al + 6H₂O = 2Al(OH) ₃ + 3H₂↑

 

Остальные металлы, стоящие в ряду до водорода, при определенных условиях тоже могут вступать в реакцию с водой с выделением водорода и образованием оксидов.

3Fe + 4H₂O = Fe₃O₄ + 4H₂↑

 

б) растворами кислот

(Кроме концентрированной серной кислоты и азотной кислоты любой концентрации. См. раздел «Окислительно-восстановительные реакции».)

Обратите внимание: не используют для проведения реакций нерастворимую кремниевую кислоту

 

Металлы, стоящие в ряду до магния и активно реагирующие с водой, не используют для проведения таких реакций.

Металлы, стоящие в ряду от магния до водорода, вытесняют водород из кислот.

Mg + 2HCl = MgCl₂ + H₂↑

 

Металлы, стоящие в ряду после водорода, НЕ вытесняют водород.

 

в) растворами солей

Неметаллы

 

В простых веществах атомы неметаллов связаны ковалентной неполярной связью. При этом образуются одинарные (в молекулах H₂, F₂, Cl₂, Br₂, I₂), двойные (в молекулах О₂), тройные (в молекулах N₂) ковалентные связи.

 

Строение простых веществ – неметаллов:

Молекулярное

При обычных условиях большинство таких веществ представляют собой газы (Н₂, N₂, O₂, O₃, F₂, Cl₂) или твердые вещества (I₂, P₄, S₈) и лишь единственный бром (Br₂) является жидкостью. Все эти вещества молекулярного строения, поэтому летучи. В твердом состоянии они легкоплавки из-за слабого межмолекулярного взаимодействия, удерживающего их молекулы в кристалле, и способны к возгонке.

 

Атомное

Эти вещества образованы кристаллами, в узлах которых находятся атомы: (B_n, С_n, Si_n, Gen, Se_n, Te_n). Из-за большой прочности ковалентных связей они, как правило, имеют высокую твердость, и любые изменения, связанные с разрушением ковалентной связи в их кристаллах (плавление, испарение), совершаются с большой затратой энергии. Многие такие вещества имеют высокие температуры плавления и кипения, а летучесть их весьма мала.

Многие элементы – неметаллы образуют несколько простых веществ – аллотропных модификаций. Аллотропия может быть связана с разным составом молекул: кислород О₂ и озон О₃ и с разным строением кристаллов: аллотропными модификациями углерода являются графит, алмаз, карбин, фуллерен. Элементы – неметаллы, имеющие аллотропные модификации: углерод, кремний, фосфор, мышьяк, кислород, сера, селен, теллур.

 

Окислительные свойства

 

а) в реакциях с металлами (металлы всегда восстановители)

2Na + S = Na₂S (сульфид натрия)

3Mg + N₂ = Mg₃N₂ (нитрид магния)

 

б) в реакциях с неметаллами, расположенными левее данного, то есть с меньшим значением электроотрицательности. Например, при взаимодействии фосфора и серы окислителем будет сера, так как фосфор имеет меньшее значение электроотрицательности:

2P + 5S = P₂S₅ (сульфид фосфора V)

 

Большинство неметаллов будут окислителями в реакциях с водородом:

H₂ + S = H₂S

H₂ + Cl₂ = 2HCl

3H₂ + N₂ = 2NH₃

 

в) в реакциях с некоторыми сложными веществами

 

Окислитель – хлор

2FeCl₂ + Cl₂ = 2FeCl₃

2KI + Cl₂ = 2KCl + I₂

 

CH₄ + Cl₂ = CH₃Cl + HCl

Ch₂=CH₂ + Br₂ = CH₂Br-CH₂Br

 

Восстановительные свойства

 

а) в реакциях с фтором

S + 3F₂ = SF₆

H₂ + F₂ = 2HF

Si + 2F₂ = SiF₄

 

б) в реакциях с кислородом (кроме фтора)

S + O₂ = SO₂

N₂ + O₂ = 2NO

4P + 5O₂ = 2P₂O₅

C + O₂ = CO₂

 

в) в реакциях со сложными веществами – окислителями

H₂ + CuO = Cu + H₂O

6P + 5KClO₃ = 5KCl + 3P₂O₅

C + 4HNO₃ = CO₂ + 4NO₂ + 2H₂O

 

H₂C=O + H₂ = CH₃OH

 

Классификация неорганических веществ

Неорганические вещества по составу принято делить на две группы: немногочисленную группу простых веществ (их насчитывается около 400) и очень многочисленную группу сложных веществ. Простые вещества состоят из одного химического элемента, а сложные – из нескольких. Сложные вещества обычно делят на классы: оксиды, кислоты, основания, амфотерные гидроксиды и соли. Данная классификация несовершенна, т. к. в ней нет места для аммиака, соединений металлов с фосфором, азотом, углеродом и т. д.     Оксиды Оксиды – это сложные вещества, состоящие из двух химических элементов, один из которых - кислород. Оксиды могут быть солеобразующими и несолеобразующими. Солеобразующим оксидам соответствуют гидроксиды и соли с элементом в той же степени окисления, что и в оксиде. Несолеобразующие оксиды не имеют соответствующих гидроксидов и солей. Таких оксидов немного: N2O, NO, SiO, CO. Солеобразующие оксиды в зависимости от кислотно-основного характера делятся на кислотные, амфотерные и основные. Основные оксиды образованы металлами с небольшими степенями окисления +1, +2. Амфотерные оксиды образованы переходными металлами со степенями окисления +3, +4, а также Be, Zn, Sn, Pb. Кислотные оксиды образованы неметаллами, а также металлами со степенью окисления больше, чем +4. Рис. 3. Гидроксиды Основания Основания – это сложные вещества, состоящие из ионов металла и гидроксид-ионов. Основания – это сложные вещества, состоящие из катионов металла и одного или нескольких гидроксид-анионов. В основу классификации оснований могут быть положены разные признаки. Например, их отношение к воде. По данному признаку основания делят на растворимые в воде (щелочи) и нерастворимые в воде.   Амфотерные гидроксиды это сложные вещества, которые имеют свойства и кислот, и оснований, и потому их формулы можно записывать в разных формах: Zn(OH)2           =       H2ZnO2 форма основания форма кислоты Кислоты Кислоты – это сложные вещества, состоящие из ионов водорода и кислотных остатков. Кислоты – это сложные вещества, состоящие из атомов водорода, способных замещаться на металлы, и кислотных остатков. Кислоты можно разделить на группы по содержанию кислорода: кислородосодержащие (например, HNO3, H2SO4, H3PO4) и бескислородные (HI, H2S).   Соли Соли – это сложные вещества, состоящие из ионов металла и кислотных остатков. Средние соли состоят из катионов металла (или аммония) и анионов кислотных остатков. Кислые соли, кроме катионов металла, содержат катионы водорода и анион кислотного остатка. Основные соли в своем составе содержат гидроксид-анионы. Если соль образована двумя видами катионов металлов и одним анионом, то ее называют двойной. Например, сульфат алюминия-калия KAl(SO4)2. Соли с двумя разными анионами и одним катионом называют смешанными. Например, Са(OCl)Cl – хлорид-гипохлорит кальция. В комплексных солях содержится сложный ион, который принято заключать в квадратные скобки.

МЕТАЛЛЫ И НЕМЕТАЛЛЫ

Все химические элементы разделяют на металлы и неметаллы в зависимости от строения и свойств их атомов. Также на металлы и неметаллы классифицируют образуемые элементами простые вещества, исходя из их физических и химических свойств.