Распространенность химических элементов. Основные классы неорганических соединений

Ядра, содержащие 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 протонов или нейтронов особенно устойчивы. Эти числа называются магическими. Наиболее устойчивы дважды магические ядра, содержащие магическое число и протонов и нейтронов – 4He, 16O, 40Ca. В земной коре элементы с магическими ядрами обладают достаточно высокой распространенностью (за исключением гелия).

Обобщая все данные о распространённости химических элементов и их поведении в геохимических процессах, В.М. Гольдшмидт сформулировал основной закон геохимии:

Содержания химических элементов зависят от строения их атомного ядра, а их миграция – от строения электронных оболочек, определяющих химические свойства элементов. Для геохимии в равной мере важны оба этих аспекта.

Одним из основных законов геохимии является закон Ферсмана-Гольдшмидта, который можно сформулировать следующим образом: Геохимия элемента в земной коре определяется как химическими свойствами, так и величиной кларка.

Основные классы неорганических соединений

Неорганические вещества классифицируются по составу и по химическим свойствам. По составу неорганические вещества делятся на бинарные – состоящие только из двух элементов, и многоэлементные – состоящие из нескольких элементов. Бинарные соединения классифицируются по неметаллу, например CaH2, NaH – гидриды, CaS, FeS – сульфиды, СаС2, Al4C3 – карбиды и т. д. Многоэлементные соединения классифицируются по общему элементу, чаще всего кислороду, например: NaNO3, H2SO4, KClO4 – кислородсодержащие.

Далее будут рассмотрены четыре важнейших класса неорганических соединений: оксиды, гидроксиды металлов, (гидроксиды неметаллов относятся, как правило, к кислотам) кислоты, соли.

Оксиды

Оксидами называются бинарные соединения, содержащие кислород в степени окисления -2.

По химическим свойствам оксиды делятся на солеобразующие и несолеобразующие. Солеобразующие, в свою очередь, делятся на основные, кислотные и амфотерные.

Основные оксиды взаимодействуют с кислотами с образованием соли и воды, например:

CuO + 2HCl = CuCl2 + H2O

MnO + H2SO4 = MnSO4 + H2O

В состав основных оксидов входят металлы главных подргрупп I и II групп Периодической системы (кроме бериллия), а также переходные металлы в низших степенях окисления, например СаО, К2О, MnO, FeO, CrO.

Основные оксиды, образованные щелочными и щелочноземельными металлами взаимодействуют с водой с образованием щелочей:

Na2O + H2O = 2NaOH

CaO + H2O = Ca(OH)2

Кислотными оксидами называются оксиды, взаимодействующие со щелочами с образованием соли и воды, например:

SO2 + 2KOH = K2SO3 + H2O

CO2 + 2NaOH = Na2CO3 + H2O

В состав кислотных оксидов входят неметаллы или переходные металлы в высших степенях окисления, например: P2O5, SiO2, CrO3, Mn2O7.

Кислотные оксиды (кроме SiO2) взаимодействуют с водой:

SO3 + H2O = H2SO4

P2O5 + 3H2O = 2H3PO4

Амфотерные оксиды в зависимости от условий проявляют свойства основных или кислотных оксидов, т.е. образуют соли как с кислотами, так и с основаниями, например:

Cr2O3 + 6HCl = 2CrCl3 + 3H2O

Cr2O3 + 2NaOH = 2NaCrO2 + H2O

В состав амфотерных оксидов входят переходные металлы в промежуточных степенях окисления, металлы главной подгруппы III группы, например Cr2O3, Al2O3, MnO2. К амфотерным оксидам относятся также BeO, ZnO и PbO2. Амфотерные оксиды с водой не взаимодействуют.

Несолеобразующие оксиды не дают реакций, характерных для солеобразующих оксидов. К ним относятся: NO, N2O, SiO, CO. Несолеобразующие оксиды могут реагировать с кислотами или щелочами, но при этом не образуются продукты, характерные для солеобразующих оксидов, например при 150oС и 1,5 Мпа СО реагирует с гидроксидом натрия с образованием соли – формиата натрия:

СО + NaOH = HCOONa

Однако вода в этой реакции никогда не образуется, поэтому СО относят к несолеобразующим оксидам.

Оксиды можно получить следующими основными способами:

1. из простых веществ:

2Cu + O2 = CuO

S + O2 = SO2

2. окислением сложных веществ:

4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O

6MnO + O2 = 2Mn3O4

3. термическим разложением оксидов, гидроксидов, кислородсодержащих солей и кислот:

3MnO2 = Mn3O4 + O2

2Fe(OH)3 = Fe2O3 + 3H2O

2Cu(NO3)2 = 2CuO + 4NO2 + O2

H2SiO3 = SiO2 + H2O

Гидроксиды

Гидроксидами металлов называются вещества, содержащие ион металла и одну или несколько гидроксильных групп.

Гидроксиды делятся на основные (основания) и амфотерные. Основные гидроксиды, в свою очередь, делятся на сильные основания – щелочи, и слабые основания. В состав щелочей входят катионы щелочных и щелочноземельных металлов, например КОН, NaOH, Ca(OH)2, Ba(OH)2. Слабыми основаниями являются гидроксиды переходных металлов в низших степенях окисления, например Fe(OH)2, Mn(OH)2, Cu(OH)2.

Число гидроксильных групп в основании называется кислотностью основания.

Амфотерные гидроксиды включают в свой состав катионы металлов III группы Периодической системы, катионы переходных металлов в промежуточных степенях окисления, например Al(OH)3, Cr(OH)3, Fe(OH)3. К амфотерным также относятся Be(OH)2, Zn(OH)2.