§ 3.5. Взаимосвязь между классами неорганических соединений

Многообразие неорганических соединений наиболее логично отражают так называемые генетические ряды, которые содержат соединения одного элемента, принадлежащие различным классам. Как правило, такой ряд представлен элементом, его оксидом, гидроксидом и соответствующей солью. Например, генетический ряд типичного металла и генетический ряд неметалла выглядят так:

Стрелка (→) в данных схемах означает «соответствует». Так, типичному металлу соответствуют основный оксид, гидроксид, соль, в частности Са — оксид СаО, гидроксид Са(ОН)₂, соль Са(NO₃)₂.

Свойства соединений металлов и неметаллов по своей сути противоположны, поэтому вещества разных генетических рядов могут взаимодействовать друг с другом, образуя преимущественно соли. Некоторые варианты таких попарных взаимодействий могут быть отражены схемами на основе генетических рядов, из которых видно, что продуктами взаимодействия веществ разных генетических рядов являются, в основном, соли (рис. 6.5, 6.6).

При взаимодействии металлов и неметаллов образуются как соли (галогениды, сульфиды — NaCl, Al₂S₃), так и бинарные соединения, не относящиеся к классу солей (нитриды, фосфиды, карбиды, гидриды, оксиды — Li₃N, Ca₃P₂, Al₄C₃, NaH, CaO).

Генетические ряды в органической химии образуют соединения, содержащие одинаковое число атомов углерода:

С₃Н₈ → С₃Н₇Сl → С₃Н₇ОН → C₂H₅СНО → C₂H₅СОOH → CH₃CH(Cl)СОOH → CH₃CH(NH₂)СОOH → NH—CH(CH₃)CO

Знание особенностей каждого вида взаимодействий необходимо при выполнении различных заданий и решении экспериментальных задач. В практической деятельности химики получают новые вещества из имеющихся в их распоряжении: например, серную кислоту — из серного колчедана, аммиак — из азота, азотную кислоту — из аммиака, цинк — из цинковой обманки и т. д. При этом, как правило, необходимо провести серию реакций, чтобы получить нужный продукт. Например, один из вариантов получения цинка из природного минерала ZnS можно представить схемой превращений:

ZnS → ZnO → Zn,

для осуществления которых необходимы реакции:

1) окисления сульфида цинка кислородом (обжиг):

2ZnS + 3O₂ = 2ZnO + 2SO₂;

2) восстановления металла из оксида:

ZnO + С = СО + Zn.

На выбор пути превращений и разработку технологических процессов влияют знание свойств веществ, учёт доступности реагентов, безопасности процессов и многие другие факторы.

В качестве примера рассмотрим превращение веществ одного генетического ряда — основного оксида в гидроксид.

Таким образом, выбор реагентов зависит от того, чем является продукт превращения — гидроксид металла: щёлочью или нерастворимым основанием. Для получения щёлочи из оксида достаточно иметь воду, а нерастворимое основание можно получить только из раствора соли. Поэтому оксид необходимо предварительно превратить в растворимую соль, а затем добавить раствор щёлочи.

Вопросы, задания, задачи

1. Выпишите химические формулы веществ, образующих генетический ряд магния: МnO, Mn(OH)₂, Mg(OH)₂, MgO, K₂SO₄, MgSO₄, Mg, Mn, MnSO₄.

2. Заполните таблицу, используя формулы веществ: Fe(ОН)₂, СаО, Н₂SO₄, SО₃, СО₂, NaOH, Na₂SO₄, НСl, Н₂SO₃, K₃PO₄, Ba(ОН)₂, КСl.

3. Составьте генетические ряды металлов:

• а) … → … → … → хлорид магния;
• б) … → … → … → сульфат цинка;
• в) … → оксид натрия → … → …;
• г) … → … → гидроксид калия → ….

4. Составьте уравнения реакций согласно рисунку 6 на примере серной кислоты.

5. Составьте уравнения реакций для двух превращений:

• а) ВаО → Ba(ОH)₂ и Al₂O₃ → Al(ОH)₃;
• б) Li₂О → LiОH и Fe₂O₃ → Fe(ОH)₃.

Почему вам потребовалось составить разное число уравнений реакций в предложенных превращениях?

6. Составьте генетический ряд натрия и генетический ряд углерода. В чём их принципиальное отличие? Напишите уравнения реакций, позволяющих осуществить последовательное получение веществ в каждом ряду.

7. Рассчитайте массу цинка, полученного в результате превращений: ZnS → ZnO → Zn, если масса исходного сульфида цинка равна 29,1 г, а потери составили 5 %.

8. Cоставьте уравнения реакций согласно схеме:

• a) Вa  ВаО  Вa(OH)₂  ВаСl₂  ВaCO₃  …;
• б) С  СО₂  Н₂СO₃  Na₂СO₃  CaCO₃  ….

9. Определите простое вещество Х в генетическом ряду и составьте уравнения соответствующих реакций:

Х  Х₂О₅  Н₃ХO₄  K₃ХO₄,

если массовая доля кислорода в соединении K₃ХO₄ равна 30,19 %.

10. Определите простое вещество Х в генетическом ряду и составьте уравнения соответствующих реакций:

ХХО₂Н₂ХO₃NaНХO₃,

если массовая доля элемента Х в соединении NaНХO₃ равна 30,77 %.

Самоконтроль

1. Не является соединением генетического ряда магния:

• а) МnO;
• б) Мg(OH)₂;
• в) MgSO₄;
• г) MgO.

2. Действием воды можно осуществить превращения:

• а) СаO → Сa(OH)₂;
• б) Р₂О₅ → Н₃РO₄;
• в) SiO₂ → H₂SiO₃;
• г) ZnO → Zn(OH)₂.

3. Продуктами взаимодействия металла и неметалла являются соединения:

• а) K₂S;
• б) AlCl₃;
• в) SO₃;
• г) MgBr₂.

4. Продукт превращения SO₃ образует соли, реагируя с веществами:

• а) МgO;
• б) Fe(OH)₂;
• в) S;
• г) Na₂SiO₃.

5. Массовая доля кислорода в сульфате, полученном в превращении Х → ВаО → Ba(ОH)₂ → ХSO₄, равна:

• а) 6,9 %;
• б) 13,7 %;
• в) 27,5 %;
• г) 72,5 %.