Сайт учителя биологии и географии Лотоцкой Е. Г.

Блок 3. Металлы. Неметаллы. Основные классы неорганических соединений

Взаимосвязь различных классов неорганических веществ

Между неорганическим веществами (простыми и сложными) существует генетическая связь, основанная на их химических свойствах. Исходя из простых веществ, получают оксиды, гидроксиды, соли. Последовательность таких превращений можно представить двумя схемами:

металл → основный оксид → основание → соль,

например:

Са → СаО →Са(ОН)₂ → Са₃(РО₄)₂;

неметалл → кислотный оксид → кислота → соль,

например:

Р→ Р₂О₅ → Н₃РО₄ → Са₃(РО₄)₂.

Безусловно, эти схемы не отражают всей глубины и многообразия взаимоотношений неорганических веществ. С одной стороны, нельзя понимать их таким образом, что каждое последующее вещество может быть получено непосредственно из предыдущего. Так, в большинстве случаев невозможно в одну стадию получить основание из основного оксида. С другой стороны, более сложные вещества могут быть получены из простых, минуя одну или две стадии приведенных схем, например, металл, взаимодействуя с кислотой, дает соль. Следует иметь в виду, что возможно образование не только более сложных веществ из менее сложных, но и наоборот.

Различные способы получения оксидов, оснований, солей, кислот широко используют как в лабораторной практике, так и в химической промышленности.

Производство кислот (серной, соляной, азотной, фосфорной), солей (в частности минеральных удобрений — аммиачной и калийной селитры, суперфосфата, аммофоса), оксидов (например, негашеной извести СаО) и многих других неорганических соединений имеет важное народнохозяйственное значение.

Выбирая рациональные способы получения какого-либо вещества, обычно используют недефицитное сырье (встречающееся в природе или выпускаемое промышленностью).

Качественные реакции неорганических веществ

Идентификацией (определением) веществ занимается аналитическая химия. Для определения веществ используют характерные  (или качественные) реакции.

Большинство качественных реакций в неорганической химии — это ионные реакции.

Для того, чтобы определить наличие кислоты или щелочи в водном растворе, можно воспользоваться индикатором. При избытке катионов водородаH⁺ (H₃O⁺), т.е. в кислой среде, фиолетовый лакмус и оранжевый метилоранж принимают красную окраску. При избытке гидроксид-ионов OH^–, т.е. в щелочной среде, фиолетовый лакмус примет синюю окраску, оранжевый метилоранж — желтую, а бесцветный фенолфталеин — малиновую.

Качественной реакцией на сульфат-ион SO₄^2– является реакция образования осадка BaSO₄, не растворимого в кислотах. Поэтому для определения серной кислоты, растворимых сульфатов и гидросульфатов используют реактив, содержащий ионы бария Ba²⁺, например хлорид бария BaCl₂.Признаком реакции является выпадение кpисталлического осадка белого цвета BaSO₄, не растворимого в кислотах:

H₂SO₄ + BaCl₂ = BaSO₄↓ + 2HCl

SO₄^2– + Ba²⁺ = BaSO₄↓

Для определения хлорид-ионов Cl^– (соляной кислоты и растворимых хлоридов) используют реактив, содержащий ионы серебра Ag⁺, например нитрат серебра AgNO₃. Признаком реакции является выпадение творожистого осадка белого цвета AgCl, не растворимого в кислотах:

HCl + AgNO₃ = AgCl↓ + HNO₃

Cl^– + Ag⁺ = AgCl↓

Для определения бромоводородной и иодоводородной кислот, их солей: бромидов и иодидов можно также использовать реактив, содержащий ионы серебра Ag⁺ (AgNO₃). В случае бромидов наблюдается образование творожистого осадка светло-желтого цвета AgBr, а в случае иодидов — творожистого осадка интенсивно-желтого цвета AgI. Оба осадка не растворяются в кислотах:

HBr + AgNO₃ = AgBr↓ + HNO₃

Br^– + Ag⁺ = AgBr↓

KI + AgNO₃ = AgI↓ + KNO₃

I^– + Ag⁺ = AgI↓

Бромиды и иодиды можно определить также с помощью хлорной воды (водного раствора хлора). Cl₂ окисляет бромид- и иодид-ионы до соответствующих галогенов, которые в водном растворе имеют бурую окраску:

2KBr + Cl₂ = 2KCl + Br₂

2Br^– + Cl₂ = 2Cl^– + Br₂

2KI + Cl₂ = 2KCl + I₂

2I^– + Cl₂ = 2Cl^– + I₂

Выделяющийся иод легко отличить от брома с помощью характерной реакции с раствором крахмала, который с I₂ образует соединение темно-синего цвета.

Соли угольной кислоты — карбонаты и гидрокарбонаты — можно распознать сильной кислотой, например соляной HCl. Признаком реакции является бурное выделение («вскипание») углекислого газа:

MgCO₃ + 2HCl = MgCl₂ + H₂O + CO₂↑

MgCO₃ + 2H⁺ = Mg²⁺ + H₂O + CO₂↑

NaHCO₃ + HCl = NaCl + H₂O + CO₂↑

HCO₃^– + H⁺ = H₂O + CO₂↑

Растворимые соли фосфорной кислоты — фосфаты — можно распознать с помощью реактива, содержащего ионы серебра Ag⁺ (AgNO₃). Признаком реакции является выпадение осадка желтого цвета Ag₃PO₄, растворяющегося в избытке азотной или фосфорной кислот:

Na₃PO₄ + 3AgNO₃ = Ag₃PO₄↓ + 3NaNO₃

PO₄³⁺ + 3Ag⁺ = Ag₃PO₄↓

Для обнаружения силикат-ионов SiO₃^2– к исследуемому раствору добавляют любую сильную кислоту. Образуется гель (студенистый осадок) практически нерастворимой кремниевой кислоты H₂SiO₃:

Na₂SiO₃ + 2HCl = 2NaCl + H₂SiO₃↓

SiO₃^2– + 2H⁺ = H₂SiO₃↓

Нитрат-ионы NO₃^– не дают осадков ни с одним из катионов, поэтому ионные реакции для обнаружения NO₃^– не применимы. Для распознавания солей азотной кислоты солей азотной кислоты (нитратов) в растворах используют реакции с органическими соединениями (например, дифениламином ). Твердые нитраты легко могут быть обнаружены при действии на них концентрированной H₂SO₄ с медью. При этом происходит вытеснение летучей азотной кислоты и ее взаимодействие с медью, сопровождающееся образованием газа NO₂ бурого цвета:

KNO₃ + H₂SO_{4 (конц.)} = HNO₃ + KHSO₄

Cu + 4HNO₃ = Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O

Очень быстрый способ обнаружения селитр (нитратов щелочных и щелочноземельных металлов, а также аммония) основан на том, что они при прокаливании выделяют кислород (при прокаливании NH₄NO₃ выделяется N₂O, который тоже является сильным окислителем). Кристаллики вещества помещают на раскаленный уголек. При этом наблюдаются характерные вспышки:

2NaNO₃ = 2NaNO₂ + O₂↑

C + O₂ = CO₂

Сульфид-ион S^2– образует много нерастворимых солей (сульфидов) с характерными окрасками, что позволяет легко обнаружить ничтожно малые концентрации S^2–. Обычно используется реакция с нитратом (или ацетатом) свинца, в результате которой выпадает осадок черного цвета PbS:

Na₂S + Pb(NO₃)₂ = 2NaNO₃ + PbS↓

S^2– + Pb²⁺ = PbS↓

Соли аммония распознают с помощью щелочи. Признаком реакции является выделение газа (усиливающееся при нагревании) с резким запахом — аммиака NH₃:

(NH₄)₂SO₄ + 2NaOH = Na₂SO₄ + 2NH₃↑ + 2H₂O

NH₄⁺ + OH^– = NH₃↑ + H₂O

Выделяющийся аммиак можно определить по характерному резкому запаху или с помощью влажной индикаторной бумажки, например, смоченной раствором лакмуса. Под действием аммиака лакмусовая бумажка синеет, т.к. обнаруживает гидроксид-ионы:

NH₃ + H₂O =  NH₄⁺ + OH^–

Многие качественные реакции основаны на образовании ярко-окрашенных комплексных ионов. Так, ионы Fe²⁺ обнаруживают с помощью гексацианоферрата (III) калия (красной кровяной соли) K₃[Fe(CN)₆]. При этом образуется турнбулева синь KFe[Fe(CN)₆] (коллоидный раствор интенсивно-синего цвета):

Для распознавания ионов Fe³⁺ также используют реакцию с комплексным соединением — гексацианоферратом (II) калия (желтой кровяной соли)K₄[Fe(CN)₆], при этом образуется берлинская лазурь KFe[Fe(CN)₆]:

Очень чувствительной (т.е. позволяющей определить следы ионов) качественной реакцией на Fe³⁺ является образование роданида железа (III) —комплексного соединения, содержащего катион Fe³⁺ и роданид-ионы (тиоцианат-ионы) CNS^–, с интенсивной красно-коричневой («кроваво-красной»)окраской. Упрощенно уравнение реакции записывают следующим образом:

FeCl₃ + 3NH₄CNS = Fe(CNS)₃ + 3NH₄Cl