1. Взаимные превращения веществ основных классов неорганических соединений Простые металлы неметаллы Сложные Оксиды Гидроксиды Соли

1 1. Взаимные превращения веществ основных классов неорганических соединений В зависимости от того, сколько различных элементов входят в состав веществ, их можно разделить на простые и сложные. Простые вещества состоят из атомов одного химического элемента, сложные из атомов нескольких химических элементов. Простые вещества, в свою очередь, делятся на металлы и неметаллы. Сложные вещества делятся на оксиды, основания, амфотерные гидроксиды, кислоты и соли. В общей классификации неорганических веществ можно выделить две основные ветви, родоначальниками которых являются металлы и неметаллы. Далее идут оксиды и гидроксиды металлов и неметаллов. Оксиды бывают оснóвными, кислотными, амфотерными и несолеобразующими. Оснóвными оксидами являются оксиды наиболее активных металлов (Na 2 O, CаO), а также оксиды d-элементов в низших степенях окисления (CrO, FeO). Кислотные оксиды оксиды неметаллов (SO 3, SiO 2 ) а также d- элементов в высших степенях окисления (CrO 3, Mn 2 O 7 ). Типичные амфотерные оксиды ZnO и Al 2 O 3 проявляют свойства, как основных, так и кислотных оксидов. Амфотерными являются также оксиды некоторых d-элементов, в которых они проявляют промежуточные степени окисления (Cr 2 O 3 ). Несолеобразующими оксидами являются N 2 O, NO, CO. Гидроксиды (гидраты оксидов) делятся на кислоты, основания, и амфотерные гидроксиды. Соли можно рассматривать как продукты взаимодействия веществ, относящихся к различным ветвям классификации. Соли бескислородных кислот образуются в результате взаимодействия металлов с неметаллами. Соли кислородсодержащих кислот продукты взаимодействия между собой кислотных и основных оксидов; кислот и оснований; а также кислотных оксидов и оснований; основных оксидов и кислот. Неорганические соединения определенного класса могут быть получены из соединений другого класса. Классы неорганических веществ и взаимосвязь между ними удобно представить в виде схемы. Связи между классами веществ обозначены стрелками. Взаимодействуют между собой вещества, относящиеся к разным ветвям, то есть металлы с неметаллами, основные оксиды с кислотами, кислоты с основаниями и т. д. Вещества, относящиеся к одной ветви, не реагируют между собой, например, кислоты не реагируют с кислотами. Продуктами взаимодействия веществ, относящихся к разным ветвям, являются соли. Приведенная схема является несколько упрощенной, тем не менее, она обобщает основные свойства большинства веществ, которые изучаются в школьном курсе. В частности схема не учитывает тот факт, что некоторые оксиды металлов в высших степенях окисления являются кислотными и им соотвествуют кислоты (например, CrO 3 и H 2 CrO 4 Mn 2 O 7 и HMnO 4 ) 1

2 Классы неорганических веществ и взаимосвязь между ними 1. Металлы, неметаллы соли При взаимодействии металлов с неметаллами образуются соли бескислородных кислот (галогениды, сульфиды): 2Na + Cl 2 = 2NaCl; Zn + S = ZnS. Эти соединения устойчивы и при нагревании, как правило, не разлагаются. 2. Металлы оксиды металлов (основные и амфотерные) Большинство металлов взаимодействует с кислородом, образуя оксиды: 2Са + О 2 = 2СаО; 4Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3. Не взаимодействуют с кислородом золото, серебро, платина и некоторые другие малоактивные металлы. Оксиды некоторых малоактивных металлов легко разлагаются при нагревании на металл и кислород: 2HgO t 2Hg + O 2. Большинство оксидов (оксиды щелочных, щелочноземельных металлов, магния, алюминия, цинка и др.) при нагревании не разлагается. 3. Неметаллы оксиды неметаллов (кислотные и несолеобразующие) Неметаллы (за исключением галогенов и благородных газов) взаимодействуют с кислородом, образуя оксиды: 4Р + 5О 2 = 2Р 2 О 5 ; S + O 2 = SO 2 ; N 2 + O 2 эл. дуга 2NO. 4. Основные и амфотерные оксиды соли 2

3 Соли образуются при взаимодействии основных и амфотерных оксидов с кислотами или кислотными оксидами: CuO + 2HCl = CuCl 2 + H 2 O CuO + 2H + = Cu 2+ + H 2 O; CaO + CO 2 = CaCO 3 ; ZnO + 2HCl = ZnCl 2 + H 2 O ZnO + 2H + = Zn 2+ + H 2 O. Соли некоторых кислородсодержащих кислот (нитраты, карбонаты), при нагревании разлагаются: СаСО 3 t CaO + CO 2 ; 2Cu(NO 3 ) 2 t 2CuO + 4NO 2 + O 2 ; 2Zn(NO 3 ) 2 t 2ZnO + 4NO 2 + O Кислотные оксиды соли Кислотные оксиды образуют соли при взаимодействии со щелочами или с основными оксидами: СО 2 + 2NaOH = Na 2 CO 3 + H 2 O СО 2 + 2OH - = CO H 2 O. Получение оксидов неметаллов из солей возможно для нитратов и карбонатов (см. п.4). 6. Оксиды металлов основания, амфотерные гидроксиды Непосредственным взаимодействием с водой могут быть получены только гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов (щелочи): СаО + Н 2 О = Са(ОН) 2. Остальные основания и амфотерные гидроксиды получают косвенным путем: а) растворением оксида в кислоте; б) действием щелочи на растворы соответствующих солей: а) CuO + H 2 SO 4 = CuSO 4 + H 2 O CuO + 2H + = Cu 2+ + H 2 O; б) CuSO 4 + 2NaOH = Cu(OH) 2 + Na 2 SO 4 Cu ОН - = Cu(OH) 2. Основания и амфотерные гидроксиды при нагревании разлагаются: Cu(OH) 2 t CuO + H 2 O; 2LiOH t Li 2 O + H 2 O; 2Al(OH) 3 t Al 2 O 3 + 3H 2 O. NaOH и KOH при нагревании не разлагаются (плавятся без разложения). 7. Кислотные оксиды кислоты Кислотные оксиды взаимодействуют с водой, образуя соответствующие кислоты: SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4 ; P 2 O 5 + 3H 2 O = 2H 3 PO 4 ; CrO 3 + H 2 O = H 2 CrO 4. Исключение SiO 2, который с водой не реагирует. Кремниевую кислоту получают косвенным путем действием сильных кислот на растворимые силикаты: 3

4 Na 2 SiO 3 + 2HCl = H 2 SiO 3 + 2NaCl SiO H + = H 2 SiO 3. Некоторые кислородсодержащие кислоты разлагаются при нагревании. 4HNO 3 t 2H 2 O + 4NO 2 + O 2 ; H 2 SiO 3 t H 2 O + SiO 2. В то же время существуют кислоты, устойчивые к нагреванию (H 2 SO 4, H 3 PO 4 ). 8. Основания и амфотерные гидроксиды соли Осуществляется посредством взаимодействия гидроксида с кислотой: 2NaOH + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + 2H 2 O OH + H + = H 2 O (реакция нейтрализации); Zn(OH) 2 + 2HCl = ZnCl 2 + H 2 O Zn(OH) 2 + 2H + = Zn 2+ + H 2 O. Обратное превращение действие щелочей на растворимые соли соответствующих металлов (см. п. 6). 9. Кислоты соли Прямое превращение взаимодействие кислоты с основным или амфотерным оксидом или гидроксидом (см. п. 8). Обратное действие на соль более сильной кислотой (сильные кислоты вытесняют слабые из их солей): Na 2 SiO 3 + H 2 SO 4 = H 2 SiO 3 + Na 2 SO Дисахариды. Сахароза, ее состав и строение. Физические и химические свойства. Нахождение в природе. Получение и применение сахарозы Сахароза белое кристаллическое вещество, хорошо растворима в воде, температура плавления 185 о С, сладкая на вкус. Состав сахарозы отвечает молекулярной формуле С 12 Н 22 О 11. То есть в молекуле в два раза больше атомов углерода, чем в молекулах глюкозы и фруктозы. Установлено, что молекула сахарозы образуется из молекул глюкозы и фруктозы в результате отщепления от них одной молекулы воды, то есть за счет межмолекулярной дегидратации глюкозы и фруктозы: С 6 Н 12 О 6 + С 6 Н 12 О 6 С 12 Н 22 О 11 + Н 2 О глюкоза фруктоза сахароза Структурные формулы глюкозы и фруктозы: 4

5 Глюкоза и фруктоза являются моносахаридами, они легко образуют циклические формы. Сахароза является продуктом межмолекулярной дегидратации циклических форм глюкозы и фруктозы: С 6 Н 12 О 6 + С 6 Н 12 О 6 С 12 Н 22 О 11 + Н 2 О глюкоза фруктоза сахароза Молекула сахарозы состоит из остатков молекул двух сахаров глюкозы и фруктозы. Такие сахара называются дисахаридами. Упрощенная структурная формула сахарозы: С 6 Н 11 О 5 О С 6 Н 11 О 5 остаток глюкозы остаток фруктозы В молекуле сахарозы присутствует кислородный мостик О, связывающий остатки молекул глюкозы и фруктозы. Приведем структурную формулу сахарозы (не для запоминания): В образовании молекулы сахарозы участвует гидроксильная группа первого атома углерода молекулы глюкозы. Именно эта гидроксильная группа образуется в результате внутримолекулярной циклизации глюкозы. В растворе глюкозы циклические формы находятся в динамическом равновесии с открытой формой, в которой имеется альдегидная группа, поэтому глюкоза дает реакцию «серебряного зеркала». В молекуле сахарозы циклическая форма глюкозы зафиксирована, и образование открытой формы, содержащей альдегидную группу, невозможно. Поэтому сахароза не проявляет свойства, характерные для альдегидов, в частности, не дает реакцию «серебряного зеркала». Наличие в молекуле сахарозы остатков глюкозы и фруктозы может быть доказано экспериментальным путем. Если к раствору сахарозы добавить несколько капель серной кислоты, раствор прокипятить, затем нейтрализовать щелочью, полученная смесь растворяет свежеосажденный гидроксид меди и при нагревании образует оранжево-красный осадок, что свидетельствует о присутствии в растворе глюкозы: H 2 SO 4 C H O H O,t C H O C H O сахароза глюкоза фруктоза 5

6 Сахароза (сахар) важнейший пищевой продукт. Основными источниками сахарозы для пищевой промышленности являются сахарный тростник и сахарная свекла. Сахароза также содержится в соках и плодах некоторых растений, например, березы, клена, моркови, дыни и др. Для получения сахара из сахарного тростника его прессуют, выделившийся сок очищают и выпаривают. В нашей республике сахар получают из сахарной свеклы. Содержание сахарозы в сухом веществе сахарной свеклы достигает 20 %. Крупнейшие в нашей стране сахарные заводы расположены в Городее, Скиделе и Слуцке. Для получения сахара вымытую сахарную свеклу измельчают и обрабатывают горячей водой. Полученный раствор коричневого цвета подвергают многократной очистке. Очищенный сахарный сироп упаривают, выпавшие кристаллы сахарозы отфильтровывают и получают сахарный песок. 6