Классификация и номенклатура неорганических веществ

Известно больше сотни элементов и миллионы веществ. Выучить свойства каждого невозможно — и не нужно. Оказалось, что вещества собираются в группы с общим поведением: всё, что относится к кислотам, реагирует с основаниями; всё, что относится к основным оксидам, реагирует с кислотами. Достаточно узнать класс — и вы уже знаете, с чем вещество будет реагировать, даже если видите его формулу впервые.

Именно поэтому задание 5 стоит первым в блоке про неорганику: без умения определять класс дальше не решается ничего. А задания 6–9 проверяют уже свойства этих классов.

Первое деление — на простые и сложные.

- Простые вещества состоят из атомов одного элемента: O₂, Cl₂, Fe, S, O₃. - Сложные — из атомов разных: H₂O, NaCl, H₂SO₄.

Здесь же вводится понятие, о котором часто забывают: аллотропия — способность одного элемента образовывать несколько простых веществ. Кислород даёт O₂ и озон O₃, углерод — алмаз, графит и другие формы, фосфор — белый и красный. Вещества разные (алмаз прозрачен и твёрд, графит чёрен и мягок), а элемент один и тот же.

Сложные вещества делятся на четыре главных класса: оксиды, кислоты, основания, соли. Разбираться с ними будем не по списку названий, а по вопросу «из чего состоит формула».

Взгляните на формулу и задайте четыре вопроса подряд. Первый же положительный ответ даёт класс.

1. Два элемента, второй — кислород? Это оксид: CaO, SO₃, Al₂O₃, Fe₂O₃. Осторожно: пероксиды (H₂O₂, Na₂O₂) к оксидам не относят — там кислород в степени окисления −1 и два атома кислорода связаны друг с другом.

2. Формула начинается с водорода? Это кислота: HCl, H₂SO₄, HNO₃, H₂S. То, что стоит после водорода, называют кислотным остатком.

3. Металл и группа OH? Это основание: NaOH, Ca(OH)₂, Cu(OH)₂, Fe(OH)₃.

4. Металл и кислотный остаток? Это соль: NaCl, K₂SO₄, CaCO₃, Al(NO₃)₃.

Этот порядок и есть весь алгоритм задания 5. Дальше внутри каждого класса нужно ещё одно уточнение.

Оксиды делят по характеру на четыре вида: основные, кислотные, амфотерные, несолеобразующие.

Основания — на растворимые (щёлочи) и нерастворимые. Щелочей немного, их проще запомнить списком: гидроксиды щелочных металлов (NaOH, KOH, LiOH) и щелочноземельных (Ca(OH)₂, Ba(OH)₂, Sr(OH)₂). Всё остальное — нерастворимо и в задании 5 идёт как «нерастворимое основание».

Кислоты — по числу атомов водорода (основность): одноосновные (HCl, HNO₃), двухосновные (H₂SO₄, H₂S, H₂CO₃), трёхосновные (H₃PO₄). И по наличию кислорода: кислородсодержащие (H₂SO₄) и бескислородные (HCl, H₂S).

Соли — средние, кислые, основные и двойные; об этом отдельно ниже.

Оксиды делят на основные, кислотные и амфотерные не по прихоти, а по гидроксиду, который им соответствует. Мысленно «добавьте воду» к оксиду и посмотрите, что получится.

• • Na₂O + H₂O = 2NaOH — получилось основание, значит Na₂O основный оксид.
• • SO₃ + H₂O = H₂SO₄ — получилась кислота, значит SO₃ кислотный оксид.
• • ZnO даёт Zn(OH)₂, который ведёт себя и как кислота, и как основание, — значит, ZnO амфотерный.

Сразу возникает вопрос: как угадать характер, не помня всех гидроксидов? Правило простое и связано с прошлой темой — с электроотрицательностью.

• • Металл в низкой степени окисления (+1, +2) → оксид основный: Na₂O, CaO, MgO, FeO, CuO.
• • Неметалл → оксид кислотный: CO₂, SO₂, SO₃, P₂O₅, N₂O₅.
• • Металл в высокой степени окисления (+6, +7) → оксид тоже кислотный: CrO₃, Mn₂O₇. Металл с большим зарядом сильно оттягивает электроны и ведёт себя как неметалл.
• • Промежуточные степени окисления у металлов (+3, +4) и «пограничные» металлы → амфотерный оксид: ZnO, Al₂O₃, BeO, Cr₂O₃, Fe₂O₃, PbO, SnO.

Лучшая проверка правила — один элемент в разных степенях окисления. Возьмите хром:

• • CrO (хром +2) — основный оксид, ему отвечает основание Cr(OH)₂;
• • Cr₂O₃ (хром +3) — амфотерный, ему отвечает амфотерный Cr(OH)₃;
• • CrO₃ (хром +6) — кислотный, ему отвечает кислота H₂CrO₄.

Элемент один, а характер оксида меняется от основного к кислотному по мере роста степени окисления. Это ровно тот же механизм Э—О—Н, который разбирался в теме Периодического закона: чем больше заряд элемента, тем сильнее он оттягивает электроны от кислорода и тем легче отрывается протон.

Несолеобразующие оксиды — отдельная маленькая группа: CO, NO, N₂O, SiO. Им не соответствует ни кислота, ни основание, поэтому солей они не образуют и со щелочами с кислотами не реагируют. Их четыре, их просто запоминают — и в задании 5 они появляются почти всегда.

Соль — продукт замещения водорода кислоты на металл. Но замещение может быть полным или неполным, и отсюда три вида солей.

Средняя соль — заменены все атомы водорода: Na₂SO₄, CaCO₃, AlCl₃. Получается, когда кислоты и основания взято поровну (по эквивалентам):

2NaOH + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + 2H₂O

Кислая соль — заменена часть водорода, остальное осталось в формуле: NaHCO₃, NaHSO₄, Ca(HCO₃)₂, KH₂PO₄. Получается при избытке кислоты:

NaOH + H₂SO₄ = NaHSO₄ + H₂O

Заметьте важное ограничение: кислые соли бывают только у многоосновных кислот. У соляной кислоты HCl водород один, замещать частично нечего, и «гидрохлорида натрия» не существует.

Основная соль — заменена часть гидроксогрупп основания: MgOHCl, (CuOH)₂CO₃, AlOHSO₄. Получается при избытке основания относительно кислоты:

Mg(OH)₂ + HCl = MgOHCl + H₂O

Здесь тоже есть ограничение: основные соли бывают только у многокислотных оснований, то есть тех, где групп OH больше одной. У NaOH группа одна — основных солей натрия не бывает.

Двойная соль содержит два разных металла: KAl(SO₄)₂ — алюмокалиевые квасцы.

Как узнать вид соли по формуле за две секунды. Есть водород между металлом и кислотным остатком — кислая. Есть группа OH рядом с металлом — основная. Нет ни того ни другого — средняя. Разбирая NaHSO₄, вы видите водород после натрия: это гидросульфат натрия, кислая соль. В MgOHCl видна группа OH: это гидроксохлорид магния, основная соль.

Номенклатура спрашивается прямо, и путаница здесь стоит балла.

Кислоты и их соли идут парами. Если элемент в высшей степени окисления, кислота называется на «-ная» или «-овая», а её соль — с окончанием «-ат». Если степень окисления ниже — кислота на «-истая», а соль — с окончанием «-ит».

• • H₂SO₄ — серная, сера +6 → соли сульфаты (Na₂SO₄);
• • H₂SO₃ — сернистая, сера +4 → соли сульфиты (Na₂SO₃);
• • HNO₃ — азотная, азот +5 → соли нитраты (KNO₃);
• • HNO₂ — азотистая, азот +3 → соли нитриты (KNO₂);
• • H₂CO₃ — угольная → карбонаты (CaCO₃);
• • H₃PO₄ — фосфорная → фосфаты (Ca₃(PO₄)₂);
• • H₂SiO₃ — кремниевая → силикаты (Na₂SiO₃).

Бескислородные кислоты дают соли с окончанием «-ид»: HCl — соляная (хлороводородная) → хлориды; H₂S — сероводородная → сульфиды; HBr → бромиды.

Приставка «гидро-» означает оставшийся водород, то есть кислую соль: NaHCO₃ — это гидрокарбонат натрия, а NaH₂PO₄ — дигидрофосфат натрия (двух водородов не хватает до среднего фосфата). Приставка «гидроксо-» означает оставшуюся группу OH, то есть основную соль: MgOHCl — это гидроксохлорид магния.

Степень окисления металла указывают римской цифрой в скобках, если металл имеет несколько: FeCl₂ — хлорид железа(II), FeCl₃ — хлорид железа(III), CuO — оксид меди(II). Для металлов с единственной степенью окисления (Na, K, Ca, Al, Zn) скобки не нужны.

Линия 5 выглядит просто: дано девять формул в пронумерованных ячейках, надо распределить их по классам. Но ошибаются в ней регулярно, и всегда на одном и том же.

Порядок разбора формулы.

1. Есть ли металл (или ион аммония) и кислотный остаток? Тогда это соль. Дальше уточняем: если между ними стоит водород — соль кислая (NaHCO₃, KHSO₄, Ca(HCO₃)₂, NaH₂PO₄); если гидроксогруппа — основная (CuOHCl, (CuOH)₂CO₃); если ни того, ни другого — средняя (Na₂SO₄).

2. Есть ли группа OH при металле и больше ничего? Тогда это основание: растворимое — щёлочь (NaOH, KOH, Ba(OH)₂, Ca(OH)₂), нерастворимое — просто нерастворимое основание (Fe(OH)₂, Cu(OH)₂), а у Be, Zn, Al, Cr(III), Pb, Sn — амфотерный гидроксид.

3. Начинается ли формула с водорода, а дальше кислотный остаток? Тогда это кислота: H₂SiO₃, HClO, H₃PO₄.

4. Состоит ли вещество из двух элементов, второй — кислород? Тогда это оксид, и надо определить характер.

Характер оксида — главная тонкость линии.

• • Основные — оксиды металлов в степени +1 и +2: Na₂O, CaO, FeO, CuO, MgO;
• • Кислотные — оксиды неметаллов (кроме несолеобразующих) и металлов в высоких степенях: SO₃, P₂O₅, N₂O₅, CO₂, SiO₂, а также CrO₃ и Mn₂O₇;
• • Амфотерные — оксиды металлов в степени +3 и +4 и особые случаи: Al₂O₃, ZnO, BeO, Cr₂O₃, Fe₂O₃, PbO, SnO;
• • Несолеобразующие — CO, NO, N₂O, SiO: не дают ни кислот, ни оснований и ни с чем из них не реагируют. Именно их часто ставят в перечни, и их надо узнавать в лицо.

Правило, снимающее половину ошибок: характер оксида определяется степенью окисления элемента, а не тем, металл он или неметалл. Хром даёт три оксида: CrO (+2) основный, Cr₂O₃ (+3) амфотерный, CrO₃ (+6) кислотный. Один элемент — три разных класса.

Названия в линии 5 и в развёрнутых ответах надо уметь писать без ошибок, и система здесь простая.

Оксиды. «Оксид + элемент в родительном падеже», а если степень окисления переменная — она указывается римской цифрой в скобках: FeO — оксид железа(II), Fe₂O₃ — оксид железа(III), SO₂ — оксид серы(IV), SO₃ — оксид серы(VI). Для элементов с постоянной степенью окисления (Na, K, Ca, Mg, Al, Zn) скобки не пишут: Na₂O — оксид натрия.

Основания. «Гидроксид + элемент», с той же римской цифрой при необходимости: Cu(OH)₂ — гидроксид меди(II), NaOH — гидроксид натрия.

Кислоты и их соли. Здесь главная ловушка — суффиксы, различающие степень окисления кислотообразующего элемента:

• • -ная, -овая — высшая степень: H₂SO₄ серная, соли сульфаты; HNO₃ азотная, соли нитраты;
• • -истая — промежуточная: H₂SO₃ сернистая, соли сульфиты; HNO₂ азотистая, соли нитриты;
• • бескислородные получают суффикс -водородная: HCl хлороводородная (соляная), соли хлориды; H₂S сероводородная, соли сульфиды.

Пара «сульфат — сульфит» и «нитрат — нитрит» различается одной буквой, а вещества разные: в сульфате сера +6 и окислиться дальше не может, в сульфите +4 и он восстановитель. Перепутать их в ответе — значит написать другое вещество.

Кислые и основные соли. К названию средней соли добавляют приставку гидро- (по числу водородов) или гидроксо-: NaHCO₃ — гидрокарбонат натрия, NaH₂PO₄ — дигидрофосфат натрия, CuOHCl — гидроксохлорид меди(II).

Комплексные соли. Число лигандов обозначают греческой приставкой, а сам лиганд — своим корнем: Na[Al(OH)₄] — тетрагидроксоалюминат натрия, [Cu(NH₃)₄]SO₄ — сульфат тетрааминмеди(II).

Тривиальные названия, которые надо узнавать: негашёная известь CaO, гашёная известь Ca(OH)₂, известковая вода — её раствор, известняк и мел CaCO₃, питьевая сода NaHCO₃, кальцинированная сода Na₂CO₃, каустическая сода NaOH, поваренная соль NaCl, медный купорос CuSO₄·5H₂O, железный купорос FeSO₄·7H₂O, аммиачная селитра NH₄NO₃, пирит FeS₂, глинозём Al₂O₃.