§ 41. Неорганические вещества, их номенклатура и классификация

Определения и обозначения

Оксид — бинарное соединение кислорода с другим химическим элементом. По химическим свойствам оксиды делят на основные, кислотные и амфотерные: последние способны проявлять свойства и основных, и кислотных оксидов. Такое деление помогает предсказать, с какими веществами оксид может взаимодействовать.

Основание — сложное вещество, состоящее из катионов металла и одной или нескольких гидроксид-групп OH. Число групп связано с зарядом катиона: например, в Fe(OH)₂ две группы OH уравновешивают заряд железа(II). Растворимые в воде основания называют щелочами, а нерастворимые не образуют раствора при обычных условиях.

Кислота — сложное вещество, содержащее атомы водорода, способные замещаться атомами металла, и кислотный остаток. В H₂SO₄ остаток SO₄ имеет заряд 2−, а в HCl остаток Cl имеет заряд 1−. Кислоты с кислородом называют кислородсодержащими, а без кислорода — бескислородными.

Соль — сложное вещество из катионов металла и анионов кислотного остатка. Средняя соль не содержит атомов водорода в остатке или групп OH, кислая сохраняет водород, а основная содержит гидроксид-группы. Эти разновидности показывают, полностью ли замещены водород кислоты или группы OH основания.

Как это устроено

Состав вещества и заряды его ионов определяют индексы в формуле, потому что суммарный заряд соединения должен быть равен нулю. Например, у Al³⁺ заряд +3, а у O²⁻ заряд −2; наименьшее общее кратное зарядов равно 6, поэтому нужны два атома алюминия и три атома кислорода: Al₂O₃. Индексы показывают количество частиц, а не их заряд, поэтому после составления формулы полезно отдельно проверить баланс зарядов.

В названии бинарного соединения сначала называют один элемент, затем второй с окончанием «-ид»: например, хлорид натрия. Для соединений кислорода используют слово «оксид», поэтому MgO — оксид магния, а не магний оксид-ид. Если элемент может иметь разные степени окисления, её указывают римской цифрой в скобках: это отличает, например, оксид железа(II) от оксида железа(III).

Названия оснований и солей связывают название катиона с названием гидроксид-группы или кислотного остатка. Так, Fe(OH)₂ называют гидроксидом железа(II), а CaCO₃ — карбонатом кальция; цифра нужна, поскольку железо образует катионы с разными зарядами. Для основания число групп OH определяется зарядом катиона, а для соли индексы подбирают по зарядам катиона и аниона, сохраняя электронейтральность.

Чтобы назвать кислотный остаток, сначала распознают его формулу и затем используют соответствующее название, например SO₄ — сульфат, NO₃ — нитрат, CO₃ — карбонат. Название соли образуется из названия остатка и названия металла: серная кислота даёт сульфаты, азотная — нитраты, угольная — карбонаты. При этом один и тот же остаток сохраняет название и в кислой соли, но в её формуле остаётся водород, например гидрокарбонат.

Оксиды классифицируют не только по составу, но и по химическим свойствам, потому что они по-разному взаимодействуют с водой, кислотами и основаниями. Основным оксидам обычно соответствуют основания, а кислотным — кислоты: например, CaO связан с Ca(OH)₂, а SO₃ — с H₂SO₄. Амфотерные оксиды проявляют двойственные свойства и могут реагировать как с кислотами, так и со щелочами, поэтому их нельзя отнести только к одной из этих групп.

Классификация и номенклатура основных классов неорганических веществ

Сначала найдите в формуле характерную часть вещества: кислород в бинарном соединении, OH, водород с остатком или катион металла с остатком. Затем сравните состав с общим составом класса и определите разновидность. Для названия проверьте заряд частиц и наличие элемента с переменной степенью окисления.

Разбор задач

Задача 1. Составьте формулы оксида алюминия и оксида серы(VI), назовите вещества и определите тип каждого оксида.

1. У алюминия степень окисления +3, у кислорода −2. Для электронейтральности берём два атома алюминия и три атома кислорода, получаем Al₂O₃.
2. В названии второй частицы уже указана степень окисления серы +6. Её уравновешивают три атома кислорода со степенью окисления −2, поэтому формула — SO₃.
3. Первое соединение называют оксидом алюминия, второе — оксидом серы(VI). Al₂O₃ амфотерный, а SO₃ кислотный, поскольку ему соответствует серная кислота.

Ответ: Al₂O₃ — амфотерный оксид алюминия; SO₃ — кислотный оксид серы(VI).

Задача 2. Дайте названия веществам Fe(OH)₂, HNO₃ и CaCO₃; укажите класс каждого вещества.

1. В Fe(OH)₂ видны катион металла и две группы OH, значит, это основание. Две группы дают общий заряд −2, поэтому железо имеет степень окисления +2; название — гидроксид железа(II).
2. HNO₃ начинается с водорода и содержит остаток NO₃, который называется нитратом. Это кислородсодержащая кислота — азотная кислота.
3. В CaCO₃ катион кальция соединён с остатком CO₃, то есть карбонатом. Заряды Ca²⁺ и CO₃²⁻ уравновешены, а водорода и OH в формуле нет, поэтому это средняя соль — карбонат кальция.

Ответ: Fe(OH)₂ — основание, гидроксид железа(II); HNO₃ — кислота, азотная кислота; CaCO₃ — средняя соль, карбонат кальция.

Задача 3. По названиям «сульфат железа(III)» и «гидроксид меди(II)» составьте формулы веществ и укажите, к каким классам они относятся.

1. Сульфат — это остаток SO₄ с зарядом 2−, а железо(III) — катион Fe³⁺. Наименьший общий заряд равен 6: нужны два катиона железа и три сульфат-иона, значит, формула соли Fe₂(SO₄)₃.
2. Сульфат железа(III) состоит из металла и кислотного остатка, поэтому это средняя соль. Скобки вокруг SO₄ нужны, потому что группа повторяется три раза.
3. Катион меди(II) имеет заряд 2+, а каждая группа OH — заряд 1−. Для нейтральности нужны две группы OH, поэтому формула гидроксида меди(II) — Cu(OH)₂.

Ответ: Fe₂(SO₄)₃ — средняя соль; Cu(OH)₂ — основание.

Типичные ошибки

Не всякое соединение кислорода с элементом относят к оксидам: ученик может ориентироваться только на наличие буквы O в формуле. Оксид должен быть бинарным соединением, а в пероксидах кислород имеет особую связь и степень окисления, поэтому их выделяют отдельно. Проверьте число элементов и не смешивайте оксиды с веществами, содержащими группы вроде OH.

Если у элемента переменная степень окисления, пропуск римской цифры делает название неоднозначным. Ошибка возникает, когда по привычке называют только элемент и класс вещества, хотя металл может образовать несколько соединений. Сверьте формулу с зарядом аниона и укажите степень окисления, если её можно определить и она необходима для различения.

В формулах оснований число групп OH не равно автоматически заряду катиона: заряд каждой такой группы составляет 1−. Поэтому, например, катион Fe³⁺ должен соединиться с тремя группами OH, а не с одной. Чтобы проверить индексы, умножьте заряд одной группы на их число и убедитесь, что сумма зарядов с зарядом катиона равна нулю.

Не всякая соль является средней: в кислой соли сохраняется водород кислотного остатка, а в основной присутствуют группы OH. Эти частицы легко не заметить, если определять класс только по наличию металла. Проверьте формулу после металла: есть ли в остатке H или отдельная группа OH; их наличие помогает отличить кислую или основную соль от средней.

Связь с другими темами

Для работы с номенклатурой нужны символы химических элементов, понятия валентности и степени окисления, а также умение составлять формулы по зарядам ионов. Если эти навыки не закреплены, полезно сначала потренироваться проверять электронейтральность простых соединений. Классификация веществ пригодится дальше при изучении их химических свойств, генетических связей между классами и составлении уравнений реакций.

Что запомнить

• Формула сложного вещества должна быть электронейтральной.
• Оксиды — бинарные соединения кислорода с другим элементом.
• Основания содержат катион металла и гидроксид-группы OH.
• Кислоты содержат атомы водорода и кислотный остаток.
• Соли состоят из катионов металла и анионов кислотного остатка.
• Степень окисления элемента с переменной валентностью указывают в названии римской цифрой.
• Кислые соли сохраняют водород, основные соли содержат гидроксид-группы.