Генетическая связь между классами неорганических соединений

Генетические ряды металлов и неметаллов, цепочки взаимных превращений между простыми веществами, оксидами, основаниями, кислотами и солями

Понятие генетической связи

Генетической связью между классами неорганических соединений называют такую взаимосвязь веществ разных классов, при которой из представителя одного класса путём химических превращений можно получить представителя другого класса, причём все эти вещества образованы одним и тем же химическим элементом. Слово «генетическая» здесь подчёркивает общее «происхождение» веществ от одного элемента — подобно тому, как в биологии родственные организмы происходят от общего предка. Знание генетических связей позволяет решать одну из самых распространённых на ЕГЭ задач — составление и осуществление цепочек превращений веществ.

Генетический ряд металла

Типичный генетический ряд металла имеет вид: металл → основный оксид → основание → соль. Рассмотрим на примере кальция:

$Ca\to CaO\to Ca{\left(OH\right)}_2\to {CaCO}_3$

Осуществим эту цепочку уравнениями реакций. 1) Металл при горении в кислороде образует основный оксид:

$2Ca+O_2\to 2CaO$

2) Основный оксид активного металла при взаимодействии с водой образует основание (щёлочь):

$CaO+H_{2}O\to Ca{\left(OH\right)}_2$

3) Основание реагирует с кислотным оксидом (или кислотой) с образованием соли:

$Ca{\left(OH\right)}_2+{CO}_2\to {CaCO}_3\downarrow +H_{2}O$

Для металлов средней и малой активности, оксиды которых не реагируют с водой (например, Fe, Cu, Zn), генетический ряд немного видоизменяется: основание в этом случае получают не прямой реакцией оксида с водой, а косвенно — реакцией обмена соответствующей соли со щёлочью:

$Fe\to {FeCl}_2\to Fe{\left(OH\right)}_2\to FeO$

Здесь: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑; затем FeCl₂ + 2NaOH → Fe(OH)₂↓ + 2NaCl; затем при нагревании без доступа воздуха Fe(OH)₂ →(t°) FeO + H₂O.

Генетический ряд неметалла

Типичный генетический ряд неметалла имеет вид: неметалл → кислотный оксид → кислота → соль. Рассмотрим на примере фосфора:

$P\to P_2{O}_5\to H_3{PO}_4\to {Ca}_3{\left({PO}_4\right)}_2$

1) Неметалл при горении в кислороде образует кислотный оксид: 4P + 5O₂ → 2P₂O₅. 2) Кислотный оксид при взаимодействии с водой образует кислоту: P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄. 3) Кислота реагирует с основанием (или основным оксидом) с образованием соли: 2H₃PO₄ + 3CaO → Ca₃(PO₄)₂ + 3H₂O.

Мостик между рядом металла и рядом неметалла: соль

Ключевая особенность генетической связи в том, что соль — это точка «встречи» генетического ряда металла и генетического ряда неметалла (или кислотного остатка): одна и та же соль может рассматриваться и как конечный продукт ряда металла, и как конечный продукт ряда кислотного остатка. Например, сульфат меди(II) CuSO₄ можно получить и из генетического ряда меди (Cu → CuO → CuSO₄), и из генетического ряда серы (S → SO₃ → H₂SO₄ → CuSO₄). Это отражает общий принцип: соль образована катионом (из ряда металла) и анионом кислотного остатка (из ряда неметалла/кислотного оксида).

Полная схема генетических связей

Кроме прямых (вертикальных) переходов в каждом ряду, существуют и «перекрёстные» реакции между рядами: основный оксид + кислотный оксид → соль; основание + кислота → соль + вода; соль + соль → две другие соли (при обмене). Все эти реакции подчиняются правилам, рассмотренным в предыдущих статьях о свойствах оксидов, оснований, кислот и солей.

Пример 1: осуществление цепочки превращений

Условие. Осуществите цепочку превращений: Al → Al₂O₃ → AlCl₃ → Al(OH)₃ → Al₂O₃ → NaAlO₂ (запишите уравнения всех реакций).

Решение. 1) Горение алюминия в кислороде: 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃. 2) Взаимодействие амфотерного оксида с кислотой: Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O. 3) Взаимодействие соли со щёлочью (в недостатке, чтобы не растворить осадок избытком щёлочи): AlCl₃ + 3NaOH → Al(OH)₃↓ + 3NaCl. 4) Разложение нерастворимого (амфотерного) гидроксида при прокаливании: 2Al(OH)₃ →(t°) Al₂O₃ + 3H₂O. 5) Сплавление амфотерного оксида со щёлочью: Al₂O₃ + 2NaOH →(t°) 2NaAlO₂ + H₂O.

Ответ: цепочка полностью осуществлена пятью уравнениями реакций, приведёнными выше; все уравнения уравнены по массе и заряду.

Пример 2: определение веществ по цепочке превращений

Условие. При сжигании серы получили газ X, который при пропускании через воду с добавлением катализатора и кислорода превратили в кислоту Y, а при взаимодействии Y с гидроксидом натрия получили соль Z. Определите X, Y, Z и напишите уравнения реакций.

Решение. Сера при горении образует оксид серы(IV): S + O₂ → SO₂, значит X = SO₂. При каталитическом окислении SO₂ кислородом (в присутствии катализатора V₂O₅) образуется оксид серы(VI): 2SO₂ + O₂ →(кат.) 2SO₃; SO₃ при растворении в воде даёт серную кислоту: SO₃ + H₂O → H₂SO₄, значит Y = H₂SO₄. При взаимодействии серной кислоты с избытком гидроксида натрия образуется средняя соль: H₂SO₄ + 2NaOH → Na₂SO₄ + 2H₂O, значит Z = Na₂SO₄ (сульфат натрия).

Ответ: X = SO₂, Y = H₂SO₄, Z = Na₂SO₄.

Типичные ошибки

Частая ошибка при составлении цепочек — пытаться получить основание напрямую из основного оксида даже тогда, когда металл малоактивен и его оксид не реагирует с водой (для Cu, Fe, Zn, Al и большинства других металлов, кроме щелочных и щёлочноземельных, нужен обходной путь через соль и реакцию со щёлочью). Другая ошибка — забывать про амфотерность некоторых оксидов и гидроксидов (Al, Zn, Be, Cr(III)) и писать для них только одну сторону реакций (только с кислотой или только со щёлочью), тогда как в задачах на цепочки превращений часто используется именно их двойственная реакционная способность. Также распространена ошибка забывать уравнивать реакции по массе и заряду при быстром составлении длинной цепочки — рекомендуется проверять каждое уравнение отдельно, а не полагаться на визуальную схему превращений.

Краткий словарь терминов

Генетическая связь — взаимосвязь веществ разных классов, образованных одним химическим элементом и превращаемых друг в друга химическими реакциями.

Генетический ряд металла — цепочка превращений: металл → основный (амфотерный) оксид → основание → соль.

Генетический ряд неметалла — цепочка превращений: неметалл → кислотный оксид → кислота → соль.

Цепочка превращений — последовательность веществ, каждое из которых получают из предыдущего одной химической реакцией.

Заключение

Генетическая связь между классами неорганических соединений объединяет весь материал о простых веществах, оксидах, основаниях, кислотах и солях в единую логическую систему: зная свойства каждого класса, можно предсказать и осуществить практически любую цепочку превращений одного элемента в другой. Этот системный взгляд особенно полезен при подготовке к заданиям ЕГЭ на цепочки превращений, а также готовит к изучению следующей темы — растворов и способов выражения их концентрации, где вещества этих же классов рассматриваются уже в водных растворах.