Важнейшие соединения металлов (оксиды, гидроксиды, соли)

Оксиды металлов — бинарные неорганические соединения, состоящие из атомов металла и кислорода в степени окисления −2. Они представляют собой обширный класс веществ, являющихся продуктами окисления металлов и играющих ключевую роль в геологии (состав земной коры), металлургии (руды), химической технологии и материаловедении.

Основные — солеобразующие оксиды, образованы металлами в низких степенях окисления. К ним относятся оксиды щелочных и щёлочноземельных металлов, а также некоторых переходных металлов (CuO, FeO). Взаимодействуют с кислотами с образованием соли и воды, с кислотными оксидами с образованием солей; оксиды активных металлов (Na₂O, CaO) реагируют с водой, образуя основания (щёлочи)^[2].

Амфотерные — образованы металлами в промежуточных степенях окисления (Al₂O₃, ZnO, Cr₂O₃). Проявляют двойственную природу. В зависимости от условий (кислотность среды) могут вести себя как основные (реагируя с кислотами) или как кислотные (реагируя с щелочами). В реакциях со щелочами обычно образуют соли — метаалюминаты, цинкаты и др.

Кислотные — образованы металлами в высоких степенях окисления (+5, +6, +7), а также неметаллами. Например, Mn₂O₇, V₂O₅. Взаимодействуют с основными оксидами, с основаниями с образованием соли и воды. Большинство реагирует с водой, образуя кислородсодержащие кислоты (хромовую, марганцовую, ванадиевую)^[3].

При стандартных условиях являются твёрдыми кристаллическими веществами, кроме Mn₂O₇ — маслянистая жидкость). Большинство оксидов имеют очень высокие температуры плавления благодаря ионному или ковалентно-ионному типу кристаллической решётки.

• Металлургия. Железные руды (гематит, магнетит), бокситы и другие оксиды служат основным сырьем для выплавки металлов.
• Строительство. Оксиды металлов (кальция, алюминия) используются в производстве цемента, бетона и огнеупоров.
• Химическая промышленность. Оксиды металлов используются в производстве резины, а также в катализе. Например, оксид ванадия (V₂O₅) — важнейший катализатор в производстве серной кислоты.
• Краски. Оксиды металлов обеспечивают широкую цветовую гамму в производстве красок, керамики и глазурей (сурик Pb₃O₄, охра Fe₂O₃, ультрамарин)^[4].

Гидроксиды металлов — это класс неорганических соединений, образованных катионами металлов и гидроксильными группами OH^-.

Основные:

• щёлочи — гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов. Хорошо растворимы в воде, полностью диссоциируют на ионы, проявляют сильные осно́вные свойства. Например, NaOH, KOH.
• нерастворимые основания — гидроксиды других металлов в степени окисления +1, +2 (кроме щелочноземельных) и некоторых +3. Не растворяются в воде, обладают более слабыми осно́вными свойствами и разлагаются при нагревании на оксид и воду. Например, Cu(OH)₂, Fe(OH)₃.

Амфотерные — гидроксиды металлов, проявляющие как осно́вные, так и кислотные свойства в зависимости от условий. В реакциях с кислотами ведут себя как основания, образуя соли, а в реакциях с щелочами — как кислоты, образуя гидроксокомплексы. Например, Al(OH)₃, Zn(OH)₂, Cr(OH)₃.

Кислотные — гидроксиды металлов в высоких степенях окисления +5, +6, +7 (кислородсодержащие кислоты). Проявляют исключительно кислотные свойства. Например H₂MnO₄, HMnO₄.

Большинство гидроксидов металлов представляют собой твёрдые кристаллические или аморфные вещества. Щёлочи хорошо растворимы в воде с выделением большого количества теплоты. Растворимость гидроксидов щелочноземельных металлов увеличивается с ростом атомного номера (Ca(OH)₂ — малорастворим, Ba(OH)₂ — хорошо растворим). Большинство амфотерных гидроксидов в воде нерастворимы.

• Гидроксид натрия — крупнотоннажный продукт химической промышленности. Используется в производстве целлюлозы, бумаги, мыла, моющих средств, алюминия (процесс Байера), а также для нейтрализации кислотных стоков и в нефтепереработке.
• Гидроксид кальция применяется в строительстве, водоподготовке, сельском хозяйстве и др.
• Гидроксид алюминия используется в качестве адсорбента в процессах водоочистки, как антацид в медицине, а также как сырьё для получения оксида алюминия.

Соли металлов — продукты замещения атомов водорода в кислотах на атомы металлов (или другие катионы, например, аммония). В рамках теории электролитической диссоциации соли определяются как вещества, которые в расплаве или растворе диссоциируют на катионы металла и анионы кислотных остатков.

Средние соли — образованы полным замещением атомов водорода в кислоте на металл. Например, CuSO₄, CaCl₂.

Кислые — образованы неполным замещением атомов водорода на металл в кислоте. Например, NaHSO₄, KHSO₄.

Основные — продукт неполного замещения гидроксогрупп на кислотный остаток. Например, гидроксохлорид магния Mg(OH)Cl, гидроксокарбонат меди(II) Cu₂(OH)₂CO₃.

Двойные — в состав входят два разных металла и один кислотный остаток. Например, алюмокалиевые квасцы (KAl(SO₄)₂*12H₂O).

Большинство солей металлов представляют собой кристаллические вещества ионного строения. Характерная высокая температура плавления. Диэлектрики, но их расплавы и водные растворы являются проводниками электрического тока (электролитами второго рода).

Широко применяются в пищевой, текстильной промышленности, в медицине, в качестве компонента агрохимикатов, взрывчатых вещества, а также в катализе.