§ 34. Неорганические вещества делят на классы

Определения и обозначения

Оксиды — бинарные соединения, состоящие из кислорода и одного другого химического элемента. Их общая формула — ЭₓOᵧ, где Э обозначает второй элемент, а индексы показывают число атомов; примеры — Na₂O и SO₃. Чтобы распознать оксид, нужно проверить, что в формуле ровно два разных элемента и один из них кислород. Это определение не позволяет принять за оксид любое сложное вещество с кислородом.

Кислоты — сложные вещества, содержащие атомы водорода и кислотный остаток, то есть часть формулы, остающуюся после удаления атомов водорода. Общая формула — HₙA, где A — кислотный остаток; примеры — H₂SO₄ и HNO₃. Число атомов водорода связано с зарядом остатка. Понимание этой записи помогает отличить кислоту от веществ, в которых водород находится в другой части формулы.

Основания — сложные вещества, состоящие из атома металла и одной или нескольких гидроксогрупп OH; общая формула — M(OH)ₙ. Например, NaOH и Ca(OH)₂. Гидроксогруппа — связанная группа атомов O и H, а не просто отдельные атомы кислорода и водорода. Растворимые в воде основания называют щелочами: это название выделяет вещества, растворы которых проявляют щелочные свойства.

Соли — сложные вещества, состоящие из атомов металла и кислотного остатка. В средней соли все атомы водорода кислоты замещены металлом; примеры — K₂CO₃ и Ca₃(PO₄)₂. Индексы в формуле подбирают так, чтобы суммарный заряд положительной и отрицательной частей был равен нулю. Это правило помогает проверить правильность формулы соли.

Как это устроено

Классификация опирается не на одно свойство вроде цвета или растворимости, а прежде всего на состав, строение и характер групп атомов. Состав показывает, какие элементы присутствуют, а строение — как соединены группы и атомы. Именно это сочетание определяет, как вещество может вступать в реакции. Поэтому класс вещества помогает предсказывать его химическое поведение.

По формуле класс обычно можно определить, последовательно проверяя состав. Два элемента, один из которых кислород, указывают на оксид; водород в начале формулы вместе с кислотным остатком — на кислоту. Металл и группа OH означают основание, а металл с кислотным остатком без характерной группы OH — соль. Формулу нужно читать целиком: наличие одного кислорода или металла само по себе ничего не решает.

Гидроксогруппа отличает основание от других классов, потому что в нём OH связана с металлом как часть характерного состава. Если в формуле есть кислород и водород, это ещё не основание: например, кислота может содержать оба элемента, но устроена иначе. В кислотах атомы водорода стоят перед кислотным остатком и могут замещаться металлом при образовании соли. Поэтому важны и состав, и порядок частей формулы.

Внутри каждого класса вещества делят на разновидности, поскольку одинаковый общий признак не означает одинаковых свойств. Оксиды бывают основными, кислотными и амфотерными: последние способны проявлять свойства обоих типов. Среди оснований различают растворимые и нерастворимые, причём растворимые называют щелочами. Соли делят на средние, кислые и основные в зависимости от того, полностью ли замещён водород кислоты и есть ли в составе гидроксогруппы.

Классы связаны превращениями, потому что их составные части могут переходить из одного сочетания в другое. Например, основной оксид при взаимодействии с водой может дать основание, а кислотный оксид — кислоту. Кислотный и основной оксиды способны взаимодействовать с образованием соли; кислота и основание также дают соль и воду. Эти закономерности позволяют строить цепочки реакций, хотя конкретное превращение зависит от свойств веществ и условий.

Основные классы неорганических веществ

При пользовании таблицей сначала сравните состав формулы с первой строкой, а затем проверьте общую формулу и примеры. Строки о получении и свойствах помогают связать название класса с типичными реакциями. Это ориентиры, а не гарантия: возможность реакции зависит от конкретных веществ и условий.

Разбор задач

Задача 1. Распределить Na₂O, H₂SO₄, Ca(OH)₂, K₂CO₃, SO₃ по классам. Сначала отмечаем характерные сочетания элементов и групп, не делая вывод только по наличию кислорода. Затем каждую формулу сопоставляем с определением класса. Так становится ясно, какие признаки решающие.

1. Na₂O содержит два элемента, один из них кислород, поэтому это оксид. SO₃ также состоит из двух элементов и относится к оксидам.
2. В H₂SO₄ водород стоит перед кислотным остатком SO₄, значит, это кислота. В Ca(OH)₂ металл соединён с гидроксогруппами, поэтому вещество является основанием.
3. K₂CO₃ состоит из металла и кислотного остатка CO₃, значит, это соль. Проверяем, что группа OH в формуле отсутствует.

Ответ: Na₂O и SO₃ — оксиды; H₂SO₄ — кислота; Ca(OH)₂ — основание; K₂CO₃ — соль.

Задача 2. Составить формулы оксида алюминия, гидроксида бария, азотной кислоты и фосфата кальция. Вспоминаем заряды или валентности составных частей, чтобы суммарный заряд формулы был нулевым. Скобки нужны, если группа OH или кислотный остаток повторяются несколько раз. После составления проверяем индексы.

1. Алюминий имеет заряд +3, кислород −2. Наименьшее общее число зарядов равно 6, поэтому формула оксида — Al₂O₃.
2. Ион бария имеет заряд +2, группа OH — заряд −1. Требуются две группы OH: Ba(OH)₂.
3. Остаток азотной кислоты NO₃ имеет заряд −1, водород — +1, поэтому формула кислоты HNO₃. У кальция заряд +2, у фосфат-иона PO₄ — −3; уравнивая заряды, получаем Ca₃(PO₄)₂.

Ответ: Al₂O₃, Ba(OH)₂, HNO₃, Ca₃(PO₄)₂.

Задача 3. Для цепочки CaO → Ca(OH)₂ → CaCO₃ записать уравнения и назвать классы веществ. В первом переходе основной оксид кальция присоединяет воду. Во втором переходе основание реагирует с кислотным оксидом CO₂, поэтому образуются соль и вода.

1. CaO + H₂O → Ca(OH)₂. Исходное вещество — основной оксид, продукт — основание; число атомов каждого элемента совпадает.
2. Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃↓ + H₂O. Основание реагирует с кислотным оксидом, образуя соль и воду; стрелка вниз указывает на осадок.
3. Проверяем баланс: слева и справа по одному атому Ca и C, четыре атома H и четыре атома O. Значит, коэффициенты 1:1:1:1 подходят.

Ответ: CaO — оксид, Ca(OH)₂ — основание, CaCO₃ — соль; уравнения записаны в пунктах 1 и 2.

Типичные ошибки

Ошибка: считать оксидом любое вещество с кислородом. Её допускают, потому что кислород часто встречается в формулах разных классов, например в кислотах и солях. Оксид обязательно бинарный: он содержит только два элемента, один из которых кислород. Проверьте число разных элементов в формуле.

Ошибка: принимать за основание любое соединение с водородом или кислородом. Для основания необходимы металл и одна или несколько гидроксогрупп OH, связанных с ним; вода и кислоты этому условию не отвечают. Путаница возникает, когда смотрят на отдельные атомы, а не на группу и её место в формуле. Для проверки найдите именно сочетание M(OH)ₙ.

Ошибка: называть солью всякое соединение металла с неметаллом. Вторая часть должна быть кислотным остатком, а не просто любым неметаллом: например, в NaCl остаток Cl связан с кислотой HCl. Такое смешение появляется из-за упрощённого правила «металл плюс неметалл». Сверьте формулу с кислотой, от которой мог образоваться остаток.

Ошибка: путать кислотный оксид с кислотой, потому что оба могут реагировать с основаниями с образованием соли. Но кислотный оксид не содержит водорода в составе кислоты и обычно состоит из двух элементов, например CO₂; кислота содержит водород и кислотный остаток. Сходство в реакции не означает одинакового класса. Проверьте состав формулы, а затем уже рассматривайте её свойства.

Связь с другими темами

Для чтения формул и определения классов нужны знаки элементов, понятия валентности и степени окисления, а также правила записи химических формул. Понятие кислотного остатка связано с электролитической диссоциацией: в растворе кислоты и соли образуют ионы, включая ионы остатка. Классификация пригодится при изучении химических свойств, генетических рядов и уравнений реакций. Она также помогает понимать качественные реакции на ионы, поскольку состав вещества подсказывает, какие частицы искать.

Что запомнить

• Неорганические вещества классифицируют прежде всего по составу и строению.
• Оксиды состоят из двух элементов, один из которых — кислород.
• Кислоты содержат водород и кислотный остаток.
• Основания содержат металл и гидроксогруппы; растворимые основания называют щелочами.
• Соли состоят из металла и кислотного остатка.
• Один и тот же элемент может входить в состав веществ разных классов.
• Классы неорганических веществ связаны взаимными превращениями.