§ 27. Генетическая связь между классами неорганических соединений

Деление веществ, образованных атомами одного химического элемента, на три класса по их строению и физико-химическим свойствам:

• 1. Металлы: элементы IA-, IIA-групп, алюминий, d- и f-элементы; твёрдые вещества (кроме ртути) с характерным металлическим блеском, ковкие, пластичные, с высокой тепло- и электропроводностью
• 2. Неметаллы: водород, бор, углерод, кремний, азот, фосфор, мышьяк, халькогены, галогены; способны к аллотропии, не проводят электрический ток (изоляторы/полупроводники)
• 3. Благородные (инертные) газы: элементы VIIIA-группы ($He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn$); одноатомные газы с завершённым внешним электронным слоем, практически не вступающие в химические реакции

Систематизация веществ, состоящих из атомов двух и более химических элементов, на три основных класса:

• 1. Бинарные соединения:
• Водородные соединения: гидриды металлов ($NaH, CaH_2$) и летучие водородные соединения неметаллов ($HCl, NH_3, CH_4, H_2S$)
• Оксиды: солеобразующие (осно́вные: $Na_2O, CaO, FeO$; кислотные: $SO_2, P_2O_5, SiO_2$) и несолеобразующие ($NO, CO, N_2O, SiO$)
• 2. Гидроксиды:
• Кислородсодержащие кислоты: $HNO_3, H_3PO_4, H_2SO_4, H_2CO_3$
• Основания: щёлочи ($NaOH, KOH, Ba(OH)_2$) и нерастворимые основания ($Cu(OH)_2, Fe(OH)_2$)
• 3. Соли: средние ($Na_2CO_3, CaSO_4$), кислые ($NaHCO_4, Ca(HCO_3)_2$) и осно́вные ($(CuOH)_2CO_3, ZnOHCl$)

Взаимная химическая связь и закономерная преемственность между веществами различных классов, основанная на возможности их взаимного превращения и происхождении от одного и того же химического элемента.

Последовательность взаимосвязанных химических веществ разных классов, образованных одним и тем же элементом-металлом:

• 1. Ряд металла, которому соответствует щёлочь (например, литий):

$$\text{Металл} \rightarrow \text{Основный оксид} \rightarrow \text{Щёлочь} \rightarrow \text{Соль}$$

$$4Li + O_2 \rightarrow 2Li_2O$$

$$Li_2O + H_2O \rightarrow 2LiOH$$

$$2LiOH + H_2SO_4 \rightarrow Li_2SO_4 + 2H_2O$$

Прямой переход от металла к щёлочи: $2Li + 2H_2O \rightarrow 2LiOH + H_2\uparrow$

• 2. Ряд металла, которому соответствует нерастворимое основание (например, медь):

$$\text{Металл} \rightarrow \text{Основный оксид} \rightarrow \text{Соль} \rightarrow \text{Нерастворимое основание} \rightarrow \text{Основный оксид} \rightarrow \text{Металл}$$

$$2Cu + O_2 \xrightarrow{t} 2CuO$$

$$CuO + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + H_2O$$

$$CuSO_4 + 2NaOH \rightarrow Cu(OH)_2\downarrow + Na_2SO_4$$

$$Cu(OH)_2 \xrightarrow{t} CuO + H_2O$$

$$CuO + H_2 \xrightarrow{t} Cu + H_2O$$

Последовательность взаимосвязанных химических соединений, образованных одним и тем же элементом-неметаллом:

$$\text{Неметалл} \rightarrow \text{Кислотный оксид} \rightarrow \text{Кислота} \rightarrow \text{Соль}$$

• Пример генетического ряда фосфора:

$$4P + 5O_2 \xrightarrow{t} 2P_2O_5$$

$$P_2O_5 + 3H_2O \rightarrow 2H_3PO_4$$

$$H_3PO_4 + 3AgNO_3 \rightarrow Ag_3PO_4\downarrow + 3HNO_3$$

1. Классификация простых веществ:

Простые вещества (состоящие из атомов одного элемента) по химической природе и кристаллическому строению подразделяют на три класса:

• Металлы: образованы элементами IA-, IIA-групп, переходными металлами, алюминием и др. Обладают характерным металлическим блеском, высокой пластичностью, электро- и теплопроводностью (в реакциях проявляют исключительно восстановительные свойства);
• Неметаллы: элементы главных подгрупп IV–VII групп и водород. Не обладают металлическим блеском, изоляторы или полупроводники, проявляют способность к аллотропии;
• Благородные (инертные) газы: элементы VIIIA-группы ($He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn$). Состоят из отдельных изолированных атомов, химически малоактивны.

2. Классификация сложных веществ:

Сложные вещества (состоящие из атомов разных элементов) подразделяют на три больших класса:

• Бинарные соединения:
• Водородные соединения: гидриды активных металлов ($NaH, CaH_2$) и летучие водородные соединения неметаллов ($HCl, H_2S, NH_3, CH_4$);
• Оксиды: несолеобразующие ($CO, NO, N_2O, SiO$) и солеобразующие (осно́вные — $CaO, Na_2O, CuO$; кислотные — $SO_3, CO_2, P_2O_5$);
• Гидроксиды:
• Основания: щёлочи ($NaOH, KOH, Ba(OH)_2$) и нерастворимые гидроксиды ($Cu(OH)_2, Fe(OH)_3$);
• Кислородсодержащие кислоты: $HNO_3, H_2SO_4, H_3PO_4, H_2CO_3$;
• Соли:
• Средние: продукты полного замещения водорода в кислоте на металл ($NaCl, CaCO_3, K_2SO_4$);
• Кислые: продукты неполного замещения водорода ($NaHCO_3, NaHSO_4$);
• Осно́вные: продукты неполного замещения гидроксид-ионов ($Cu_2(OH)_2CO_3, ZnOHCl$).

3. Признаки генетического ряда:

Генетический ряд — это цепочка веществ различных классов, отражающая их взаимные переходы. Для любого истинного генетического ряда характерны три обязательных признака:

• Единый общий химический элемент: все члены генетического ряда обязательно содержат в своём составе один и тот же ключевой химический элемент (металл или неметалл);
• Разнообразие классов соединений: вещества ряда относятся к разным классам неорганических соединений (например: простое вещество $\rightarrow$ оксид $\rightarrow$ гидроксид $\rightarrow$ соль);
• Взаимная превращаемость: между соседними членами ряда существуют реальные пути химических переходов, осуществляемые с помощью химических реакций соединения, замещения или обмена.