Простые и сложные вещества, металлы и неметаллы, аллотропия, основные классы сложных неорганических соединений и их номенклатура
Простые и сложные вещества
Все известные химические вещества делятся на две большие группы. Простые вещества образованы атомами одного химического элемента (например, O₂, Fe, S, Cl₂). Сложные вещества (химические соединения) образованы атомами двух и более различных элементов, соединённых химическими связями в определённых, постоянных соотношениях (например, H₂O, NaCl, H₂SO₄). Важно не путать понятия «элемент» и «простое вещество»: элемент — это вид атомов с определённым зарядом ядра, а простое вещество — конкретная форма существования этого элемента в свободном виде; один и тот же элемент может образовывать несколько разных простых веществ.
Металлы и неметаллы среди простых веществ
Простые вещества делятся на металлы и неметаллы. Атомы металлов имеют, как правило, небольшое число электронов на внешнем уровне (1–3) и легко их отдают, образуя катионы; в свободном виде металлы имеют металлическую кристаллическую решётку, обладают характерным блеском, ковкостью, высокой электро- и теплопроводностью. Атомы неметаллов, напротив, склонны присоединять электроны до завершения октета; простые вещества-неметаллы образуют либо атомные (алмаз, кремний), либо молекулярные (O₂, N₂, галогены, сера, фосфор) кристаллические решётки, а при обычных условиях могут находиться в любом агрегатном состоянии. Некоторые элементы (например, германий, мышьяк, сурьма) проявляют промежуточные, металлоидные свойства.
Аллотропией называют способность одного и того же химического элемента образовывать несколько простых веществ, различающихся строением молекул или кристаллической решётки, а значит, и физическими и химическими свойствами. Классические примеры: углерод образует алмаз (атомная решётка, sp³-гибридизация, диэлектрик, самое твёрдое природное вещество), графит (слоистая структура, sp²-гибридизация, проводит ток, мягкий) и фуллерены; кислород образует O₂ и озон O₃; фосфор образует белый, красный и чёрный фосфор; сера образует ромбическую и моноклинную модификации.
Приведённое превращение кислорода в озон под действием электрического разряда или ультрафиолетового излучения — наглядный пример аллотропного перехода: изменяется лишь число атомов в молекуле простого вещества, элемент остаётся тем же самым (кислород).
Классы сложных неорганических веществ
Среди неорганических сложных веществ традиционно выделяют четыре основных класса: оксиды, основания, кислоты и соли. Эта классификация опирается на состав и характерные химические свойства веществ и лежит в основе так называемой генетической связи между классами соединений (рассматривается в отдельной статье).
Оксиды — бинарные соединения элемента с кислородом, в которых кислород проявляет степень окисления −2, например: CaO, SO₃, Fe₂O₃, CO₂. Образуются они, в частности, при горении простых веществ в кислороде:
Основания — сложные вещества, состоящие из иона металла (реже — иона аммония) и одной или нескольких гидроксогрупп OH⁻, например: NaOH, Ca(OH)₂, Fe(OH)₃. Кислоты — сложные вещества, состоящие из одного или нескольких атомов водорода, способных замещаться на атомы металла, и кислотного остатка, например: HCl, H₂SO₄, H₃PO₄. Соли — продукты полного или частичного замещения атомов водорода в кислоте на атомы металла (или гидроксогрупп в основании на кислотные остатки), например: NaCl, CaSO₄, NaHCO₃. Соль образуется, например, в реакции нейтрализации кислоты основанием:
Бинарные соединения и их номенклатура
Бинарными называют соединения, образованные атомами только двух элементов: оксиды (Э₂Oₙ), гидриды (соединения с водородом, ЭHₙ), галогениды (соединения с галогенами, например NaCl, AlF₃), сульфиды (соединения с серой, например FeS, ZnS), нитриды, карбиды и т.д. Название бинарного соединения строится по правилу: сначала указывают русское название более электроотрицательного элемента с суффиксом «-ид», затем — название менее электроотрицательного элемента в родительном падеже, а при необходимости в скобках римской цифрой указывают степень окисления (валентность) этого элемента, если он способен проявлять переменную степень окисления. Например: Fe₂O₃ — оксид железа(III), FeO — оксид железа(II), CuS — сульфид меди(II), PCl₅ — хлорид фосфора(V). Бинарное соединение можно получить и прямым синтезом из простых веществ:
Классификация солей по составу
Соли — самый разнообразный по составу класс неорганических веществ, и внутри него выделяют несколько подтипов. Средние (нормальные) соли — продукт полного замещения водорода кислоты на металл (или гидроксогрупп основания на кислотный остаток): Na₂CO₃, CaSO₄. Кислые соли — продукт неполного замещения атомов водорода многоосновной кислоты на металл, в составе остаётся один или несколько незамещённых атомов водорода: NaHCO₃ (гидрокарбонат натрия), Ca(H₂PO₄)₂ (дигидрофосфат кальция) — образуются только из кислот с основностью 2 и более, например при взаимодействии избытка кислоты с недостатком щёлочи:
Основные соли — продукт неполного замещения гидроксогрупп многокислотного основания на кислотный остаток, в составе остаётся одна или несколько незамещённых гидроксогрупп: (CuOH)₂CO₃ (малахит, гидроксокарбонат меди(II)), Al(OH)₂Cl (дигидроксохлорид алюминия) — образуются только из оснований с кислотностью 2 и более. Двойные соли содержат два разных катиона металла и один вид кислотного остатка: KAl(SO₄)₂ (алюмокалиевые квасцы). Комплексные соли содержат комплексный ион, образованный по донорно-акцепторному механизму: K₄[Fe(CN)₆] (жёлтая кровяная соль), Na[Al(OH)₄] (тетрагидроксоалюминат натрия).
| Тип соли | Как образуется | Пример |
|---|---|---|
Средняя | полное замещение H кислоты на металл | Na₂CO₃ — карбонат натрия |
Кислая | неполное замещение H многоосновной кислоты | NaHCO₃ — гидрокарбонат натрия |
Основная | неполное замещение OH многокислотного основания | (CuOH)₂CO₃ — гидроксокарбонат меди(II) |
Двойная | два катиона металла + один кислотный остаток | KAl(SO₄)₂ — алюмокалиевые квасцы |
Комплексная | содержит комплексный ион | Na[Al(OH)₄] — тетрагидроксоалюминат натрия |
Пример 1: составление названия соли по формуле
Условие. Назовите соль состава Ca(HSO₃)₂ и определите её тип.
Решение. Кислотный остаток HSO₃⁻ — это остаток сернистой кислоты H₂SO₃ с одним незамещённым атомом водорода, значит, соль кислая, а название кислотного остатка HSO₃⁻ строится как «гидросульфит». Катион — кальций Ca²⁺ (валентность в названии не указывается, так как кальций проявляет только одну степень окисления +2). Полное название: гидросульфит кальция.
Ответ: Ca(HSO₃)₂ — гидросульфит кальция, кислая соль сернистой кислоты.
Пример 2: определение класса вещества по формуле
Условие. Распределите вещества по классам: K₂O, HNO₃, Ba(OH)₂, Al₂(SO₄)₃, N₂, KHSO₄.
Решение. K₂O — бинарное соединение калия с кислородом (СО кислорода −2) — оксид. HNO₃ — водород + кислотный остаток NO₃⁻ — кислота. Ba(OH)₂ — катион металла + гидроксогруппы — основание. Al₂(SO₄)₃ — катион металла + кислотный остаток — средняя соль. N₂ — вещество, образованное атомами одного элемента, — простое вещество. KHSO₄ — катион металла, незамещённый атом водорода и кислотный остаток — кислая соль.
Типичные ошибки
Частая ошибка — путать понятие «элемент» с понятием «простое вещество», например, говорить «кислород входит в состав воды» вместо корректного «элемент кислород входит в состав воды» (в воде нет молекул O₂, есть только атомы кислорода, связанные с водородом). Другая ошибка — относить к оксидам соединения, где кислород не имеет степени окисления −2, например пероксид водорода H₂O₂ формально можно спутать с оксидом, но по химическим свойствам он резко отличается от типичных оксидов. Также часто путают кислые и основные соли по названию: важно запомнить, что кислая соль образуется от многоосновной кислоты (незамещённый водород), а основная — от многокислотного основания (незамещённая гидроксогруппа), и такие соли в принципе не могут образоваться из одноосновной кислоты или однокислотного основания.
Краткий словарь терминов
Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких разных простых веществ.
Бинарное соединение — соединение, образованное атомами только двух химических элементов.
Оксид — бинарное соединение элемента с кислородом в степени окисления −2.
Кислая соль — соль с одним или несколькими незамещёнными атомами водорода многоосновной кислоты.
Основная соль — соль с одной или несколькими незамещёнными гидроксогруппами многокислотного основания.
Комплексная соль — соль, содержащая комплексный ион, образованный по донорно-акцепторному механизму.
Заключение
Классификация неорганических веществ на простые и сложные, а среди сложных — на оксиды, основания, кислоты и соли, служит фундаментом для систематического изучения их химических свойств. Понимание состава и номенклатуры каждого класса, а также внутренней классификации солей на средние, кислые, основные, двойные и комплексные, необходимо для дальнейшего разбора конкретных химических свойств оксидов, оснований, кислот и солей, а также генетической связи между этими классами соединений — темами следующих статей.
