§ 27. Генетическая связь между классами неорганических соединений

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОСТЫХ И СЛОЖНЫХ ВЕЩЕСТВ

Все существующие в природе и полученные в лабораториях неорганические вещества образуют строгую систему. По элементарному составу они делятся на две обширные группы: простые (состоящие из атомов одного химического элемента) и сложные (состоящие из атомов двух и более элементов).

Простые вещества в зависимости от строения и химических характеристик делят на три основных класса:

• Металлы: образованы элементами IA-группы (щелочные металлы), IIA-группы (бериллий, магний, щелочноземельные металлы), алюминием, металлами побочных B-подгрупп, а также лантаноидами и актиноидами. В свободном виде при обычных условиях это твердые вещества (за исключением жидкой ртути Hg), обладающие характерным металлическим блеском, высокой пластичностью, ковкостью, отличной тепло- и электропроводностью.
• Неметаллы: образованы водородом, бором, углеродом, кремнием, азотом, фосфором, мышьяком, элементами VIA-группы (халькогены: кислород, сера, селен, теллур) и VIIA-группы (галогены). Неметаллы обладают большим разнообразием физических свойств, не проводят электрический ток (кроме графита) и способны образовывать аллотропные модификации. Они состоят либо из молекул (H₂, O₂, O₃, N₂, P₄, S₈, молекулы галогенов), либо из кристаллов с атомной решеткой (алмаз, графит, кристаллический кремний, бор).
• Благородные (инертные) газы: элементы VIIIA-группы периодической системы (гелий He, неон Ne, аргон Ar, криптон Kr, ксенон Xe, радон Rn). Их молекулы одноатомны. Из-за устойчивой завершенной внешней электронной оболочки они химически крайне пассивны, а для гелия и неона устойчивых химических соединений не получено вовсе.

Сложные вещества также подразделяются на три основных класса, каждый из которых включает несколько подклассов:

• Бинарные соединения: состоят из атомов двух элементов. Сюда входят водородные соединения — гидриды металлов (твердые ионные вещества: NaH, CaH₂) и летучие водородные соединения неметаллов (газы с ковалентной полярной связью: HCl, H₂S, NH₃, CH₄). К важнейшим бинарным соединениям относятся оксиды, которые делятся на солеобразующие (основные: Na₂O, CaO, FeO; кислотные: SO₂, P₂O₅, SiO₂) и несолеобразующие (NO, CO, N₂O, SiO).
• Гидроксиды: соединения, содержащие гидроксогруппы или гидратированные оксиды. Включают кислородсодержащие кислоты (HNO₃, H₂SO₄, H₃PO₄) и основания — растворимые щелочи (NaOH, KOH, Ba(OH)₂) и нерастворимые в воде гидроксиды (Cu(OH)₂, Fe(OH)₃).
• Соли: продукты замещения атомов водорода в кислоте на металл или продукты взаимодействия оснований с кислотами. Подразделяются на средние (нормальные: Na₂CO₃, CaSO₄), кислые (содержащие незамещенный водород: NaHSO₄, Ca(HCO₃)₂) и основные (содержащие гидроксогруппы: ZnOHCl, (CuOH)₂CO₃).

СУЩНОСТЬ И ПРИЗНАКИ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

Слово «генетический» происходит от греческого genesis, что означает «происхождение» или «возникновение». Генетической связью называют объективно существующую взаимосвязь между веществами различных классов, которая проявляется в их взаимных превращениях и отражает единство их происхождения.

Вещества одного класса способны при химических реакциях превращаться в вещества других классов. Запись последовательных превращений химических веществ называют цепочкой превращений (или генетическим рядом). Число стрелок в такой цепочке точно соответствует количеству уравнений реакций, необходимых для ее осуществления.

Главный признак любого генетического ряда заключается в том, что все входящие в него простые и сложные вещества образованы одним и тем же химическим элементом. По положению элемента в классификации различают два основных типа генетических рядов: ряды металлов и ряды неметаллов.

ГЕНЕТИЧЕСКИЕ РЯДЫ МЕТАЛЛОВ

Генетический ряд металла отражает взаимосвязь веществ разных классов, в основе которых лежит один и тот же химический элемент-металл. В зависимости от того, растворимо или нерастворимо гидроксидное основание этого металла, различают два вида генетических рядов:

1. Генетический ряд металла, которому соответствует щёлочь:

К этому типу относятся активные металлы (щелочные и щелочноземельные), чьи оксиды и гидроксиды легко растворяются в воде. Примером служит генетический ряд лития:

Li → Li₂O → LiOH → Li₂SO₄

Этот ряд раскрывается следующими химическими реакциями:

• Образование основного оксида при горении лития в кислороде:

4Li + O₂ = 2Li₂O

• Взаимодействие основного оксида с водой с образованием щелочи:

Li₂O + H₂O = 2LiOH

(Сам активный металл литий может реагировать с водой напрямую с бурным выделением водорода: 2Li + 2H₂O = 2LiOH + H₂↑).

• Превращение щелочи в среднюю соль (сульфат лития) можно осуществить тремя путями:
  • взаимодействием щелочи с кислотным оксидом: 2LiOH + SO₃ = Li₂SO₄ + H₂O
  • реакцией нейтрализации с серной кислотой: 2LiOH + H₂SO₄ = Li₂SO₄ + 2H₂O
  • реакцией обмена с раствором соли, дающей нерастворимый осадок: 2LiOH + CuSO₄ = Li₂SO₄ + Cu(OH)₂↓

2. Генетический ряд металла, которому соответствует нерастворимое основание:

Металлы средней и малой активности (медь, железо, цинк, магний) образуют нерастворимые в воде оксиды и гидроксиды. Оксиды таких металлов не соединяются с водой напрямую, поэтому нерастворимое основание получают косвенным путем через соль.

Классический замкнутый цикл превращений меди выглядит следующим образом:

Cu → CuO → CuSO₄ → Cu(OH)₂ → CuO → Cu

Стадии превращения меди детально изучаются в ходе лабораторного опыта:

• Нагревание медной проволоки или пластинки в пламени спиртовки: блестящая розовая медь соединяется с кислородом воздуха, покрываясь плотным черным налетом оксида меди(II):

2Cu + O₂ —(t)→ 2CuO

• Растворение полученного черного оксида в нагретой разбавленной серной кислоте: черный осадок исчезает, а раствор приобретает красивый сапфирово-голубой цвет гидратированных ионов меди:

CuO + H₂SO₄ —(t)→ CuSO₄ + H₂O

• Осаждение нерастворимого гидроксида меди(II) действием раствора щелочи (гидроксида натрия): мгновенно выпадает объемистый ярко-голубой осадок:

CuSO₄ + 2NaOH = Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄

• Термическое разложение полученного нерастворимого гидроксида: при осторожном нагревании пробирки голубой осадок темнеет, обезвоживается и вновь превращается в порошок черного оксида меди(II):

Cu(OH)₂ —(t)→ CuO + H₂O

• Восстановление свободного металла: пропуская над нагретым оксидом водород (или прокаливая его с углем), восстанавливают чистую металлическую медь:

CuO + H₂ —(t)→ Cu + H₂O

2CuO + C —(t)→ 2Cu + CO₂↑

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ РЯД НЕМЕТАЛЛА

Генетический ряд неметалла отражает последовательные взаимопревращения веществ, образованных одним и тем же элементом-неметаллом. В качестве основы ряда рассматривают переход:

неметалл → кислотный оксид → кислородсодержащая кислота → соль

Ярким примером служит генетический ряд фосфора:

P → P₂O₅ → H₃PO₄ → Ag₃PO₄

Уравнения реакций, реализующих данный ряд:

• Сжигание фосфора на воздухе или в кислороде приводит к образованию густого белого дыма — кристаллического оксида фосфора(V):

4P + 5O₂ = 2P₂O₅

• Растворение кислотного оксида в горячей воде дает трехосновную фосфорную (ортофосфорную) кислоту:

P₂O₅ + 3H₂O —(t)→ 2H₃PO₄

• Качественная реакция обнаружения фосфат-ионов в растворе кислоты действием нитрата серебра приводит к выпадению ярко-желтого осадка фосфата серебра:

H₃PO₄ + 3AgNO₃ = Ag₃PO₄↓ + 3HNO₃

(Для перевода кислоты в соль кальция используют реакцию нейтрализации с гашеной известью: 2H₃PO₄ + 3Ca(OH)₂ = Ca₃(PO₄)₂↓ + 6H₂O).

ЕДИНСТВО НЕОРГАНИЧЕСКОГО МИРА

Генетические ряды металлов и неметаллов не существуют изолированно друг от друга. Напротив, они неразрывно взаимосвязаны и постоянно перекрещиваются. Вещества с противоположными свойствами (основными и кислотными) стремятся вступить в реакцию друг с другом, приводя к образованию солей:

• Металл реагирует с неметаллом, образуя бескислородную соль: 2Na + Cl₂ = 2NaCl; Fe + S —(t)→ FeS
• Основный оксид соединяется с кислотным оксидом, образуя кислородсодержащую соль: CaO + CO₂ = CaCO₃; Na₂O + SO₃ = Na₂SO₄
• Основание нейтрализуется кислотой, образуя соль и воду: KOH + HNO₃ = KNO₃ + H₂O; Cu(OH)₂ + 2HCl = CuCl₂ + 2H₂O

Таким образом, многообразие неорганических веществ представляет собой не хаотичный набор формул, а стройную, гармоничную и целостную систему, в которой свойства веществ закономерно вытекают из природы образующих их химических элементов.