Классификация и номенклатура простых и сложных веществ

     9.1 Классификация и номенклатура простых и сложных веществ 

     В настоящее время известно более 10 миллионов различных веществ. Классификация их, т.е. объединение в группы или классы, обладающие сходными свойствами, позволяет систематизировать знания о веществах и облегчает изучение веществ. Знание того, к какому классу принадлежит то или иное вещество, позволяет прогнозировать его физические и химические свойства.

     Огромное  количество соединений приводит к необходимости  создания способа наименования химических веществ, или номенклатуры. До тех пор, пока веществ было известно сравнительно немного, они получали бессистемные названия, отражающие их свойства, способ получения, имя первооткрывателя и т.д. часто это были весьма образные названия, многие из которых сохранились и поныне – глауберова соль, соляная кислота, нашатырный спирт и т.д. однако с развитием химии появилась необходимость в универсальном способе названия веществ, который отражал бы их строение и был бы международным.

     В современной химии принято использовать несколько видов номенклатуры:  международная систематическая  номенклатура ИЮПАК (IUPAC – международный союз теоритической и прикладной химии) и исторически сложившаяся тривиальная и рациональная номенклатуры. Однако только номенклатура ИЮПАК связывает структуру соединения и его названия. В рамках этого пособия мы будем использовать как названия, построенные по общим правилам, так и внесистемные названия.

     Исторически первой и до сегодняшнего времени  наиболее употребимой является следующая  классификация веществ, основанная главным образом на их строении: 
 
 
 

Вещества

Органические

Неорганические

Металлы

Сложные

Простые

Неметаллы

Оксиды

Основания            (гидроксиды)

Кислоты

Соли

 
 

     В зависимости от состава все вещества можно разделить на 2 большие группы: простые и сложные.

     Простыми  называют вещества, образованные атомами  одного элемента.

     Сложными  веществами (или химическими соединениями) называют вещества, образованные атомами  разных элементов.

     Простых веществ гораздо меньше (учитывая аллотропные модификации – около 400), чем сложных: как правило, название простого вещества совпадает с названием  образующего его элемента. Исключение составляют названия разных аллотропных  модификаций одного вещества: как  правило, они имеют собственные  названия (например, алмаз, графит и  т.д.).

     Простые вещества делят на металлы и неметаллы. Неметаллов всего 22: водород, галогены, благородные газы, азот, кислород, углерод, бор, фосфор, сера, мышьяк, селен, теллур.

     Сложные вещества делят на 2 большие группы: органические и неорганические. К органическим относят большинство соединений углерода, за исключением его оксидов, солей угольной кислоты и ряда других. Классификацию органических соединений мы будем рассматривать позже, в разделе «Органическая химия» (см. главу 3.1.4.).

     Сложные неорганические вещества принято делить на 4 важнейших класса: оксиды, основания (гидроксиды), кислоты и соли.

     Хотя  данная классификация является наиболее употребимой, она не отражает всего  многообразия химических соединений. В частности, в ней нет места  для соединения металлов с водородом, азотом, фосфором, соединений неметаллов с другими неметаллами и т.д.

     Связь между различными классами неорганических веществ, которая основана на получении  веществ одного класса из веществ  другого класса, называют генетической. Для кислородосодержащих соединений, например, она выражается схемой: 

Металл                          неметалл                    Мg                          S

    +                                       +

Кислород                       кислород                   

Основной оксид           кислый оксид                MgO                              

    +                                             +                                                       

Вода                                    вода                                           MgS 

                       Соль       

Основание                        кислота                     Mg                   

Рассмотрим  важнейшие классы неорганических веществ. 

9.3 Кислоты 

Содержание  понятий «кислота» и «основание»  в процессе развития химии существенно менялось. По теории Аррениуса – Оствальда кислотой называлось электронейтральное  вещество, которое при растворении в воде диссоциировало с образованием иона , а основанием – с образованием иона . Однако эта теория оказалась неприменима ко многим водным и неводным  растворам. Например, в бензольных растворах HCl не диссоциировала на ионы  (т.е. нет иона ), однако в этих растворах металлы растворяются с выделением водорода.

         Более общей является протолитическая теория кислот и оснований Бренстеда – Лоури. По этой теории кислотами называют вещества, способные отдавать протон другому веществу, а основаниями – вещества, способные принимать протон. Определение кислот, предлагаемое в школьном курсе химии, фактически является более наглядным выражением определения в рамках протонной теории:

       Кислотами называют сложные вещества, которые  состоят из атомов водорода, способных  замещаться на атомы металлов, и  кислотных остатков.

       Еще более общей является электронная  теория кислот и оснований  Льюиса. По Льюису, кислотами являются частицы  с незаполненной внешней электронной  оболочкой, а основаниями – частицы  со свободной парой электронов. Конечно, протон и в теории Льюиса остается кислотой, поскольку является акцептором электронов.

       Более подробно эти теории будут рассмотрены  в разделе «Электролиты» (Глава 16). В данном разделе будут рассмотрены  кислоты в классическом их понимании.

       Итак, при диссоциации  кислоты в  водном растворе в качестве катионов отщепляется протон (один или несколько). Остающаяся при этом отрицательно заряженная частица называется кислотным остатком.

       В зависимости от того, сколько протонов отщепляется при растворении  или замещается металлами, различают  одно -, двух -  или трехосновные кислоты. Например, HNO₃ – одноосновная_,  H₂SO₄ – двухосновная, H₃PO₄  - трехосновная.

       В зависимости от наличия (или отсутствия) в кислотном остатке атома  кислорода  различают бескислородные (HCl, HBr) и кислородсодержащие.

       9.3.1. Номенклатура кислот 

       Названия  кислот производятся от названия элементов, их образующих. Например,  H₂SO₄ – серная кислота, H₃PO₄ – фосфорная, H₂SiO₃ – кремневая, H₂Se – селеноводородная и т.д.

       Названия  кислородосодержащих кислот производятся от названия неметалла с окончанием – ная, -вая, если неметалл проявляет в этой кислоте высшую степень окисления.  В порядке понижения степени окисления неметалла окончание названия кислоты меняется на –оватая, -истая,

-оватистая. Например, для кислород содержащих кислот  хлора названия таковы:

Химическая  формула	Структурная формула	Степень окисления  атома Cl	Название
HCl	O            H – O – Cl = O                            O	+7	Хлорная
HCl	H – O – Cl = O                            O	+5	Хлорноватая
HCl	H – O – Cl = O	+3	Хлористая
HClO	H – O – Cl	+1	хлорноватистая

 

       В названиях бескислородных кислот два  корня: название элемента и водород: окончание –ная, например: HBr – бромоводородная и т.д.

       Часто используют тривиальные названия, например: HCl – соляная кислота, HF – плавиковая.

       9.3.2. Получение кислот 

       1. Взаимодействие с водой кислотных оксидов (для кислородосодержащих кислот):

       Cl₂O₇ + H₂O = 2HClO₄

       SO₃ + H₂O = H₂SO₄

       P₂O₅ + 3H₂O = 2H₃PO₄

       2. Взаимодействие соответствующего неметалла с водородом (для бескислородных кислот):

       H₂ + Cl₂ = HCl 

       H₂ + S = H₂S

       При дальнейшем растворении образующихся газов в воде получают одноименные кислоты.

       3. Взаимодействие кислот с солями (реакции обмена):

       2NaCl + H₂SO₄(конц.) = 2HCl + Na₂SO₄ ↑

       FeS + H₂SO₄(разб.) = FeSo₄ + H₂S↑

       CuSO₄ + H₂S = CuS↓ + H₂SO₄

       4. Реакции с изменением степени  окисления:

       3P + 5HNO₃ +2H₂O = 3H₃PO₄ + 5NO↑ 

       9.3.3. Химические свойства  кислот 

       Химические  свойства кислот можно разделить  на 2 группы:

       - общие свойства, связанные с наличием  в растворах кислот иона H⁺( иона гидроксида Н₃О⁺);

       - специфические свойства (характерные  для конкретных кислот).

       Общие свойства кислот

1. Взаимодействие с основаниями (реакция нейтрализации) с образованием соли (средней, кислой или основной) и воды:

HCl + NaOH = NaCl + H₂O

2HCl + Fe(OH)Cl₂ + 2H₂O

NaOH + H₃PO₄ = NaH₂PO₄ + H₂O

2. Взаимодействие с основными и амфотерными оксидами (амфотерные оксиды проявляют свойства основных):

2HCl + FeO = FeCl₂ + H₂O

6HCl + Fe₂O₃ = 2FeCl₃ + 3H₂O