Класи неорганічних сполук

1. Лабораторна робота

 

КЛАСИ НЕОРГАНІЧНИХ СПОЛУК

 

Мета лабораторної роботи – поновлення та закріплення знань у студентів перших курсів на тему „Класи неорганічних сполук”, отриманих у школі, і набуття практичних навичок у проведенні та написанні хімічних реакцій з урахуванням властивостей вихідних хімічних сполук.

Завдання лабораторної роботи – вивчення властивостей кислотних, основних і амфотерних оксидів та гідроксидів, а також взаємних перетворень середніх і кислих солей.

Виконавши лабораторну  роботу, студент знатиме:

– класифікацію неорганічних сполук;

– суть і визначення таких понять, як оксид, гідроксид, кислота, основа, амфотерний гідроксид, середня, кисла та основна солі;

– найважливіші хімічні властивості кожного класу систематики;

– способи отримання оксидів, гідроксидів, солей;

– номенклатуру неорганічних сполук;

умітиме:

– за формулою хімічної сполуки визначати клас, до якого належить та чи інша сполука;

– складати найпростіші рівняння хімічних реакцій;

– писати графічні формули сполук кожного класу.

У звіті до лабораторної роботи для кожного експерименту треба фіксувати: номер, назву досліду, рівняння хімічних реакцій, спостережені явища, висновки. Наприклад:

Дослід. Кислотно-основні властивості магній оксиду.

Магній оксид частково розчиняється у воді:

 

MgO + H₂O = Mg(OH)₂.

 

Фенолфталеїн набуває  малинового забарвлення, середовище – лужне. Таким чином, магній оксид – це основний оксид.

Перед виконанням лабораторної роботи слід ретельно вивчити властивості основних класів неорганічних сполук (оксидів, гідроксидів, солей), викладені далі. При цьому треба мати на увазі, що шкільна програма розглядає п'ять класів неорганічних сполук: оксиди, кислоти, основи, амфотерні гідроксиди, солі. Методичні ж вказівки аналізують три класи: оксиди, гідроксиди, солі. Оксигеновмісні кислоти, основи і амфотерні гідроксиди об’єднані у клас гідроксидів.

При вивченні закономірностей змін щодо кислотно-основних властивостей гідроксидів у періодах і групах періодичної системи Менделєєва таке об’єднання доцільне. Після виконання лабораторної роботи і складання звіту необхідно виконати завдання на сторінках 8, 10, 12, 13 і 20.

 

Експериментальна частина

 

Прилади і реактиви:

Апарат Кіппа.

Магній оксид (розчин), MgO твердий.

Спиртівка.

Індикатори: фенолфталеїн, лакмус.

Вапняна вода (насичений  розчин Ca(OH)₂).

 

Взаємодія оксидів з  водою та їх кислотно-основні

властивості

 

Дослід 1. Властивості магній оксиду.

Помістіть у пробірку невелику кількість магній оксиду і 3 – 4 мл води. Збовтайте вміст пробірки і додайте 1 – 2 краплі фенолфталеїну. Охарактеризуйте властивості магній оксиду.

Дослід 2. Властивості карбон оксиду (IV).

Налийте у пробірку 3 – 4 мл води, додайте 3 – 4 краплі лакмусу. Після цього з апарата Кіппа пропустіть у воду вуглекислий газ до зміни кольору розчину. Охарактеризуйте властивості СО₂.

 

Отримання гідроксидів та їх кислотно-основні

властивості

 

Дослід 3. Властивості алюміній гідроксиду.

Налийте у пробірку 3 – 4 мл розчину солі алюмінію. Додайте розчин лугу до утворення осаду. Розділіть розчин з осадом на дві порції. До першої додайте хлоридну кислоту, а до другої – розчин лугу. Ретельно перемішайте. Охарактеризуйте властивості алюміній гідроксиду.

Дослід 4. Властивості купрум (II) гідроксиду.

У пробірку з 3 – 4 мл розчину солі купруму додайте розчин лугу до утворення осаду. Розділіть розчин з осадом на дві частини. До першої додайте хлоридну кислоту, а до другої – розчин лугу. Ретельно розмішайте. Охарактеризуйте властивості купрум (II) гідроксиду.

Дослід 5. Властивості ферум (III) гідроксиду.

У пробірку з 3 – 4 мл розчину солі феруму (III) додайте розчин лугу до утворення осаду. Розділіть розчин з осадом на дві порції. До першої додайте хлоридну кислоту, а до другої – розчин лугу. Ретельно розмішайте. Охарактеризуйте властивості ферум (III) гідроксиду.

 

Властивості солей

 

Дослід 6. Взаємодія солі з кислотою, лугом та будь-якою іншою сіллю (реакції обміну).

У кожну з трьох  пробірок налийте 3 – 4 мл розчину свинцю нітрату (II). У першу пробірку додайте по краплях розчин хлоридної кислоти до утворення осаду, у другу – розчин лугу, а в останню – розчин Калій йодиду. Зробіть висновок, з якими речовинами і за яких умов середні солі вступають у реакцію обміну.

Дослід 7. Отримання та взаємне перетворення середніх і кислих солей.

Налийте у пробірку 3 – 4 мл насиченого розчину Ca(OH)₂ , тобто вапняної води. Пропустіть у розчин із апарата Кіппа вуглекислий газ та поспостерігайте за явищем. Спочатку утвориться нерозчинна у воді середня сіль – кальцій карбонат. Продовжуйте пропускати в розчин CO₂ доти, поки весь осад розчиниться, утворивши кислу сіль (кальцій гідрокарбонат). Пробірку з розчином кальцій гідрокарбонату нагрійте до кипіння і стежте за появою осаду. Зробіть висновки відносно умов утворення середніх і кислих солей.

 

2. Методичні вказівки до вивчення теми

 

„КЛАСИ НЕОРГАНІЧНИХ СПОЛУК” 

 

При вивченні хімії студент має перш за все засвоїти найважливіші принципи взаємодії речовин і на підставі цих принципів навчитися складати рівняння хімічних реакцій.

Усі речовини розподіляються на прості і складні. Прості речовини – це такі, молекули яких складаються з атомів одного й того ж елемента. Наприклад, Н₂, О₂, Сl₂, N₂, Zn, Fe, As та ін. У складних же речовин молекули мають атоми двох (бінарні) або більше елементів (багатоелементні): H₂O, KOH, H₂SO₄, AlCl₃, MgO, NO₂ тощо.

Прості речовини розподіляються на метали й неметали. У періодичній системі Менделєєва метали розміщені у лівій нижній частині від діагоналі (В – Аt), а в правій верхній частині – неметали (за винятком елементів побічних підгруп).

Елементи поблизу діагоналі (наприклад, Al, Sb, Ge) поводять себе як метали за одних умов і як неметали – за інших.

Хімічні властивості складних речовин, зокрема їх здатність взаємодіяти один з одним, визначаються належністю до певного класу сполук. Розрізняють такі класи неорганічних сполук: оксиди, гідроксиди, солі.

 

2.1. Оксиди

 

Студенту треба знати, що визначальною ознакою всіх неорганічних сполук є оксиди. Міцне знання хімічних властивостей оксидів – необхідна умова для успішного оволодіння подальшим хімічним матеріалом.

Оксиди – це сполуки хімічних елементів з Оксигеном, у молекулах яких елемент безпосередньо зв’язаний з Оксигеном, проте зв’язок між атомами Оксигену відсутній. Тобто це – бінарні сполуки елементів із Оксигеном, який має ступінь окиснення –2. Наприклад, натрій оксид Na₂O, кальцій оксид CaO, хром (III) оксид – Cr₂O₃.

Графічні формули відображають порядок розташування атомів, кількість  хімічних зв’язків між атомами в молекулі. Вони не відбивають реальної просторової будови молекули. Наприклад:

Na – O – Na,    Ca = O,   O = Cr – O – Cr = O.

Крім оксидів, існують оксигенові сполуки металів, у молекулах яких має місце зв’язок між атомами Оксигену: – O – O –. Такі сполуки називаються пероксидами. Так, натрій пероксид Na₂O₂ Na – O – О – Na. Пероксиди зустрічаються досить рідко, але студент має відрізняти їх від оксидів.

За сучасною українською термінологією, яка відповідає міжнародним стандартам ISO та вимогам IUPAC, назва оксидів складається із назви елемента у називному відмінку та слова оксид, наприклад: BaO – барій оксид, K₂O – калій оксид. Коли елемент виявляє змінну ступінь окиснення, то до назви елемента додається в дужках її величина (римською цифрою). Наприклад:  
Fe₂O₃ – ферум (III) оксид, FeO – ферум (II) оксид, SO₃ – сульфур (VI) оксид.

Існує кілька способів отримання оксидів:

 

1. Безпосереднє сполучення елементів з оксигеном:

 

2Mg + O₂ = 2MgO.

 

2. Термічний розклад основ, солей:

 

H₂SO₃ = SO₂ + H₂O;  Cu(OH)₂ = CuO + H₂O;   CaCO₃ = CaO + CO₂.

 

3. Окиснення (горіння) складних речовин:

 

CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O.

 

Оксиди бувають несолетворні і солетворні. Несолетворні оксиди: N₂O, NO, CO, SiO та ін. Кількість несолетворних оксидів незначна на відміну від солетворних, що за хімічними властивостями розподіляються на три групи: основні, кислотні та амфотерні.

Основні оксиди – це гідроксиди з основними властивостями. Наприклад: Na₂O, ВаО, FeO, CuO, NiO – основні оксиди, оскільки їм відповідають гідроксиди (основи): NaOH, Ba(OH)₂, Fe(OH)₂, Cu(OH)₂, Ni(OH)₂.

Більшість основних оксидів  безпосередньо не вступають в реакцію з водою і відповідні їм основи отримують шляхом реакції обміну:

 

CuSO₄ + 2NaOH = Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄.

 

Деякі основні оксиди утворюють основи взаємодією з водою:

 

BaO + H₂O = Ba(OH)₂;   Na₂O + H₂O = 2NaOH.

 

До таких оксидів  належать оксиди лужних та лужноземельних металів: Li₂O, K₂O, Na₂O, Cs₂O, Rb₂O, CaO, BaO, SrO.

Студент має пам’ятати, що основні оксиди утворюються, як правило, металами із ступенем окиснення +1 чи +2.

Основні оксиди взаємодіють:

– з кислотами, утворюючи сіль та воду:

 

MgО + H₂SO₄ = MgSO₄ + H₂O;

 

– з кислотними оксидами, утворюючи сіль:

 

CaO + CO₂ = СаCO₃.

 

Запам’ятайте: основні оксиди взаємодіють лише зі сполуками, які мають кислотні властивості і не взаємодіють зі сполуками з основними властивостями (не утворюють солей).

Кислотні оксиди (ангідриди кислот) – це такі оксиди, гідроксиди яких мають властивості кислот. Наприклад: CO₂, P₂O₅, SO₂, SO₃, N₂O₅ – кислотні оксиди, оскільки їм відповідають кислоти H₂CO₃, H₃PO₄, H₂SO₃, H₂SO₄, HNO₃.

Більшість кислотних  оксидів при взаємодії з водою утворюють кислоти

 

N₂O₅ + H₂O = 2HNO₃;   SO₃ + H₂O = H₂SO₄.

 

Деякі кислотні оксиди не взаємодіють з водою. Кислоти, які  відповідають таким оксидам, отримують з їх солей. Наприклад, SiO₂ – кремній (1V) оксид – з водою не взаємодіє. Відповідна цьому оксиду кремнієва кислота H₂SiO₃ отримується з її солі – натрій силікату Nа₂SiO₃ шляхом реакції обміну з іншою кислотою:

Nа₂SiO₃ + 2HCl = H₂SiO₃ ↓ + 2NаCl.

 

Студент має знати, що всі оксиди неметалів – кислотні. Виняток становлять несолетворні оксиди, але їх дуже мало. Кислотні оксиди можуть бути утворені й металами із ступенем окиснення +5 і вище. Наприклад, оксиди Mn₂O₇, CrO₃ та інші, які легко розчиняються у воді з утворенням перманганатної та хромової кислот:

 

Mn₂O₇ + H₂O = 2НMnO₄;   CrO₃ + H₂O = H₂CrO₄.

 

Кислотні оксиди взаємодіють:

– з основами, утворюючи сіль і воду

 

СO₂ + 2NаОН = Nа₂СO₃ + H₂O;

 

– з основними оксидами, утворюючи сіль

 

SO₃ + К₂O = К₂SO₄.

 

Запам’ятайте: кислотні оксиди взаємодіють тільки із сполуками, які мають основні властивості. Кислотні оксиди не взаємодіють з кислотами і кислотними оксидами.

Амфотерні оксиди – це такі, які залежно від умов виявляють або основні, або кислотні властивості. Слід звернути увагу, що амфотерні оксиди утворюються тільки металами, причому ступінь окиснення металу в амфотерному оксиді дорівнює +3 чи +4. Коли ж ступінь окиснення металу дорівнює +2, оксид може бути основним чи амфотерним. Амфотерні оксиди з таким ступенем окиснення металу треба запам’ятати: BeO, ZnO, PbO, SnO.

Інші оксиди металів зі ступенем окиснення +2 – основні. Амфотерні оксиди безпосередньо з водою не взаємодіють, а вступають в реакції солеутворення з кислотами і кислотними оксидами, з основами (лугами) та основними оксидами. Наприклад, якщо на цинк оксид ZnO подіяти сульфатною кислотою чи її ангідридом SO₃, то ZnO виявляє основні властивості. Унаслідок реакції утворюється сіль (цинк сульфат):

 

ZnO + Н₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂O;

 

ZnO + SO₃ = ZnSO₄.

 

При взаємодії з лугом NаОН чи основним оксидом Nа₂О цинк оксид виявляє кислотні властивості, утворюючи сіль Nа₂ZnO₂ (натрій цинкат):

 

ZnO + 2NаОН = Nа₂ZnO₂ + 2H₂O;

 

ZnO + Nа₂O = Nа₂ZnO₂.

 

Завдання. Закінчити рівняння реакцій:

 

CrO₃ + NаOH =

Cr₂O₃ + H₂SO₄ =

SO₃ + BaO =

SO₃ + KOH=

CaO + P₂O₅ =

 

2.2. Гідроксиди

 

Гідроксиди – це продукти прямого чи непрямого приєднання води до оксидів. Гідроксиди поділяються на три групи: основи, оксигеновмісні кислоти та амфотерні гідроксиди. Для кращого розуміння можна схематично зобразити зв’язок оксидів та гідроксидів:

основний оксид + H₂O → основа (основний гідроксид);