4.3 Химическая номенклатура (Chemical Nomenclature)¶
Цели обучения¶
К концу этого раздела вы сможете:
- выводить названия типичных неорганических соединений, пользуясь систематическим подходом.
Номенклатура (nomenclature) — собрание правил для именования чего-либо — играет важную роль в науке и во многих других областях. В этом разделе изложен подход, применяемый при наименовании простых ионных и молекулярных соединений, таких как \(\ce{NaCl}\), \(\ce{CaCO3}\) и \(\ce{N2O4}\). Простейшие из них — бинарные соединения (binary compounds), то есть состоящие лишь из двух элементов; однако мы рассмотрим также наименование ионных соединений с многоатомными ионами и одного особенно важного класса соединений — кислот (последующие главы посвящены этим веществам подробнее). Здесь мы ограничимся неорганическими соединениями (inorganic compounds), то есть теми, в состав которых преимущественно входят элементы, отличные от углерода, и будем следовать правилам номенклатуры, предложенным ИЮПАК (IUPAC). Правила для органических соединений, в которых главным элементом является углерод, рассматриваются в отдельной главе по органической химии.
Замечание о русской номенклатуре
В русской химической традиции название бинарного ионного соединения строится в обратном порядке по сравнению с английским: сначала записывается название аниона (с суффиксом -ид), а затем в родительном падеже название катиона. Например, английскому sodium chloride соответствует русское «хлорид натрия». Этому правилу мы и будем следовать.
Ионные соединения¶
Чтобы назвать неорганическое соединение, нужно ответить на несколько вопросов. Во-первых, ионное это соединение или молекулярное? Если ионное — образует ли металл ионы только одного типа (постоянный заряд) или нескольких типов (переменный заряд)? Одноатомные эти ионы или многоатомные? Если соединение молекулярное — содержит ли оно водород? И если содержит — присутствует ли в нём также кислород? По ответам на эти вопросы соединение относят к соответствующей категории и называют по её правилам.
Соединения, содержащие только одноатомные ионы¶
Название бинарного соединения, состоящего из одноатомных ионов, складывается из названия аниона (русского названия неметалла с суффиксом -ид) и стоящего после него в родительном падеже названия катиона (металла). Несколько примеров приведено в табл. 4.2.
Таблица 4.2. Названия некоторых ионных соединений.
| Формула | Название | Формула | Название |
|---|---|---|---|
| \(\ce{NaCl}\) | хлорид натрия | \(\ce{Na2O}\) | оксид натрия |
| \(\ce{KBr}\) | бромид калия | \(\ce{CdS}\) | сульфид кадмия |
| \(\ce{CaI2}\) | иодид кальция | \(\ce{Mg3N2}\) | нитрид магния |
| \(\ce{CsF}\) | фторид цезия | \(\ce{Ca3P2}\) | фосфид кальция |
| \(\ce{LiCl}\) | хлорид лития | \(\ce{Al4C3}\) | карбид алюминия |
Соединения, содержащие многоатомные ионы¶
Соединения с многоатомными ионами называют так же, как и соединения с одноатомными ионами: сначала анион, затем катион в родительном падеже. Примеры приведены в табл. 4.3.
Таблица 4.3. Названия некоторых ионных соединений с многоатомными ионами.
| Формула | Название |
|---|---|
| \(\ce{KC2H3O2}\) | ацетат калия |
| \(\ce{NH4Cl}\) | хлорид аммония |
| \(\ce{NaHCO3}\) | гидрокарбонат натрия |
| \(\ce{CaSO4}\) | сульфат кальция |
| \(\ce{Al2(CO3)3}\) | карбонат алюминия |
| \(\ce{Mg3(PO4)2}\) | фосфат магния |
Химия в повседневной жизни. Ионные соединения у вас на полке
Каждый день вы встречаете и используете большое количество ионных соединений. Некоторые из них, места, где их можно найти, и сферы их применения перечислены в табл. 4.4. Загляните в ближайшие несколько дней на этикетки и списки ингредиентов на упаковках, которыми вы пользуетесь, и проверьте, встречаются ли там вещества из этой таблицы или другие ионные соединения, название и формулу которых вы теперь способны записать.
Таблица 4.4. Ионные соединения в быту.
| Соединение | Применение |
|---|---|
| \(\ce{NaCl}\), хлорид натрия | обычная поваренная соль |
| \(\ce{KI}\), иодид калия | добавка в «иодированную» соль для здоровья щитовидной железы |
| \(\ce{NaF}\), фторид натрия | компонент зубной пасты |
| \(\ce{NaHCO3}\), гидрокарбонат натрия | пищевая сода; в кулинарии и как антацид |
| \(\ce{Na2CO3}\), карбонат натрия | кальцинированная сода; в моющих средствах |
| \(\ce{NaOCl}\), гипохлорит натрия | действующее начало бытового отбеливателя |
| \(\ce{CaCO3}\), карбонат кальция | компонент антацидов |
| \(\ce{Mg(OH)2}\), гидроксид магния | компонент антацидов |
| \(\ce{Al(OH)3}\), гидроксид алюминия | компонент антацидов |
| \(\ce{NaOH}\), гидроксид натрия | едкий натр; средство для прочистки труб |
| \(\ce{K3PO4}\), фосфат калия | пищевая добавка (различного назначения) |
| \(\ce{MgSO4}\), сульфат магния | добавка к очищенной воде |
| \(\ce{Na2HPO4}\), гидрофосфат натрия | средство против слёживания, в порошковых продуктах |
| \(\ce{Na2SO3}\), сульфит натрия | консервант |
Соединения с катионом переменного заряда¶
Большинство переходных металлов и некоторые металлы главных групп способны образовывать два или более катионов с разными зарядами. Соединения таких металлов с неметаллами называют так же, как соединения первой категории, но заряд иона металла указывают римской цифрой в скобках после названия металла. Заряд иона металла определяют из формулы соединения и заряда аниона. Например, рассмотрим бинарные ионные соединения железа и хлора. Железо обычно проявляет заряд \(2+\) или \(3+\) (см. Рис. 3.40), и им соответствуют две формулы — \(\ce{FeCl2}\) и \(\ce{FeCl3}\). Простейшее название «хлорид железа» в этом случае оказывается неоднозначным, поскольку не различает эти два соединения. В подобных ситуациях заряд иона металла включают в название римской цифрой в скобках, ставя её сразу после названия металла. Таким образом, эти соединения однозначно называют хлорид железа(II) и хлорид железа(III) соответственно. Другие примеры приведены в табл. 4.5.
Таблица 4.5. Некоторые ионные соединения с металлами переменной валентности.
| Формула | Название |
|---|---|
| \(\ce{FeCl2}\) | хлорид железа(II) |
| \(\ce{FeCl3}\) | хлорид железа(III) |
| \(\ce{Hg2O}\) | оксид ртути(I) |
| \(\ce{HgO}\) | оксид ртути(II) |
| \(\ce{SnF2}\) | фторид олова(II) |
| \(\ce{SnF4}\) | фторид олова(IV) |
В устаревшей номенклатуре для обозначения металлов с более высоким и более низким зарядом использовали суффиксы -ic и -ous соответственно: \(\ce{FeCl3}\) прежде называли ferric chloride (по-русски иногда — «хлорное железо»), а \(\ce{FeCl2}\) — ferrous chloride («хлористое железо»). Хотя научное сообщество в значительной мере отказалось от этой системы, она продолжает использоваться в некоторых отраслях промышленности. Например, на тюбике зубной пасты можно увидеть надпись stannous fluoride; за ней стоит формула \(\ce{SnF2}\), которую правильнее называть фторидом олова(II). Второй фторид олова — \(\ce{SnF4}\) — раньше называли stannic fluoride, а ныне именуют фторидом олова(IV).
Кристаллогидраты¶
Ионные соединения, в кристаллах которых молекулы воды являются неотъемлемой составной частью, называют кристаллогидратами (hydrates). Название кристаллогидрата получается добавлением к названию безводного (anhydrous) соединения слова, указывающего число молекул воды, приходящихся на одну формульную единицу. Это слово начинается с греческой приставки, обозначающей число молекул воды (см. табл. 4.6), и заканчивается на «гидрат». Например, безводное соединение «сульфат меди(II)» существует и в виде кристаллогидрата с пятью молекулами воды, который называют пентагидрат сульфата меди(II). «Кальцинированная сода» — это бытовое название кристаллогидрата карбоната натрия с десятью молекулами воды; его систематическое название — декагидрат карбоната натрия.
Формулы кристаллогидратов записывают, приписывая к формуле безводного соединения вертикально центрированную точку, коэффициент, равный числу молекул воды, и формулу воды. Два упомянутых выше примера представляются формулами
Таблица 4.6. Приставки номенклатуры.
| Число | Приставка | Число | Приставка |
|---|---|---|---|
| 1 (иногда опускается) | моно- | 6 | гекса- |
| 2 | ди- | 7 | гепта- |
| 3 | три- | 8 | окта- |
| 4 | тетра- | 9 | нона- |
| 5 | пента- | 10 | дека- |
Пример 4.4. Наименование ионных соединений
Назовите следующие ионные соединения:
(a) \(\ce{Fe2S3}\)
(b) \(\ce{CuSe}\)
© \(\ce{GaN}\)
(d) \(\ce{MgSO4 \cdot 7H2O}\)
(e) \(\ce{Ti2(SO4)3}\)
Решение. Анионы в этих соединениях имеют фиксированный отрицательный заряд (\(\ce{S^{2-}}\), \(\ce{Se^{2-}}\), \(\ce{N^{3-}}\) и \(\ce{SO4^{2-}}\)), а соединение в целом должно быть электронейтральным. Поскольку суммарный положительный заряд должен быть равен суммарному отрицательному, положительными ионами здесь будут \(\ce{Fe^{3+}}\), \(\ce{Cu^{2+}}\), \(\ce{Ga^{3+}}\), \(\ce{Mg^{2+}}\) и \(\ce{Ti^{3+}}\). Эти заряды и используются в названиях ионов металлов:
(a) сульфид железа(III);
(b) селенид меди(II);
© нитрид галлия(III);
(d) гептагидрат сульфата магния;
(e) сульфат титана(III).
Проверь себя. Запишите формулы следующих ионных соединений:
(a) фосфид хрома(III);
(b) сульфид ртути(II);
© фосфат марганца(II);
(d) оксид меди(I);
(e) дигидрат хлорида железа(III).
Ответ: (a) \(\ce{CrP}\); (b) \(\ce{HgS}\); © \(\ce{Mn3(PO4)2}\); (d) \(\ce{Cu2O}\); (e) \(\ce{FeCl3 \cdot 2H2O}\).
Химия в повседневной жизни. Эрин Брокович и загрязнение хромом
В начале 1990-х годов клерк юридической фирмы Эрин Брокович (Erin Brockovich) (Рис. 4.9) обнаружила высокий уровень тяжёлых заболеваний в небольшом городке Хинкли (штат Калифорния, США). Её расследование в конечном счёте связало эти заболевания с грунтовыми водами, загрязнёнными \(\ce{Cr(VI)}\), который компания Pacific Gas & Electric (PG&E) применяла для борьбы с коррозией в близлежащем газопроводе. Как показано в фильме «Эрин Брокович» (за роль в котором Джулия Робертс получила «Оскар»), в 1993 году Эрин вместе с адвокатом Эдвардом Масри подала иск против PG&E за загрязнение воды близ Хинкли. Урегулирование, достигнутое в 1996 году, — \(333\ \text{млн}\) долларов — на тот момент было крупнейшей суммой, когда-либо присуждённой по гражданскому иску прямого действия в США.
Рис. 4.9. (a) Эрин Брокович обнаружила, что хром в степени окисления \(+6\), \(\ce{Cr(VI)}\), применявшийся компанией PG&E, загрязнил систему водоснабжения Хинкли. (b) В воде ион \(\ce{Cr(VI)}\) обычно присутствует в виде многоатомных ионов хромата \(\ce{CrO4^{2-}}\) (слева) и дихромата \(\ce{Cr2O7^{2-}}\) (справа).
Соединения хрома широко применяются в промышленности — для хромирования, в производстве красителей, в качестве консервантов и для предотвращения коррозии в воде охладительных башен (как и было в окрестностях Хинкли). В окружающей среде хром существует главным образом в формах \(\ce{Cr(III)}\) или \(\ce{Cr(VI)}\). \(\ce{Cr(III)}\), входящий во многие витаминные и пищевые добавки, образует малорастворимые в воде соединения и обладает низкой токсичностью. Однако \(\ce{Cr(VI)}\) значительно токсичнее и образует соединения, заметно растворимые в воде. Воздействие даже малых количеств \(\ce{Cr(VI)}\) способно повреждать дыхательную, желудочно-кишечную и иммунную системы, а также почки, печень, кровь и кожу.
Несмотря на меры по очистке, загрязнение грунтовых вод \(\ce{Cr(VI)}\) остаётся проблемой в Хинкли и в других местах по всему миру. По данным исследования организации Environmental Working Group 2010 года, из 35 обследованных городов США в 31 содержание \(\ce{Cr(VI)}\) в водопроводной воде превышало предельный уровень охраны здоровья населения в \(0{,}02\) части на миллиард, установленный Калифорнийским агентством по охране окружающей среды.
Молекулярные (ковалентные) соединения¶
Природа связей в неорганических молекулярных соединениях отличается от ионных, и для их наименования используется другая система. В ионных соединениях соотношение ионов задаётся их зарядами, поэтому достаточно указать названия ионов, чтобы определить химическую формулу. Однако ковалентная связь допускает значительное разнообразие в соотношениях атомов в молекуле, поэтому в названиях молекулярных соединений эти соотношения должны быть указаны явным образом.
Соединения, состоящие из двух элементов¶
Когда два неметаллических элемента образуют молекулярное соединение, возможно сразу несколько соотношений их атомов. Например, углерод и кислород образуют соединения \(\ce{CO}\) и \(\ce{CO2}\). Поскольку это разные вещества с разными свойствами, оба не могут носить одно и то же название (нельзя называть оба «оксидом углерода»). Чтобы справиться с этой задачей, применяют способ наименования, схожий с применяемым для ионных соединений, но с добавлением приставок, указывающих число атомов каждого элемента. В английской номенклатуре первым ставится название более «металлического» элемента (расположенного левее и/или ниже в периодической таблице), а затем — название более «неметаллического» элемента (расположенного правее и/или выше) с окончанием -ide. В русской номенклатуре, как и для ионных соединений, порядок обратный: сначала записывают название более электроотрицательного элемента с суффиксом -ид (с приставкой, указывающей число его атомов), а затем — в родительном падеже название второго элемента (также с соответствующей приставкой). Числа атомов каждого элемента обозначают греческими приставками из табл. 4.6.
Если первого элемента в формуле всего один атом, приставка моно- при нём обычно опускается. Так, \(\ce{CO}\) называют монооксидом углерода, а \(\ce{CO2}\) — диоксидом углерода. Когда подряд оказываются две гласные, конечная гласная греческой приставки иногда выпадает; правила ИЮПАК допускают это только для двойной о в monooxide, которая правильно записывается как monoxide. Другие примеры приведены в табл. 4.7.
Таблица 4.7. Названия некоторых молекулярных соединений из двух элементов.
| Формула | Название | Формула | Название |
|---|---|---|---|
| \(\ce{SO2}\) | диоксид серы | \(\ce{BCl3}\) | трихлорид бора |
| \(\ce{SO3}\) | триоксид серы | \(\ce{SF6}\) | гексафторид серы |
| \(\ce{NO2}\) | диоксид азота | \(\ce{PF5}\) | пентафторид фосфора |
| \(\ce{N2O4}\) | тетраоксид диазота | \(\ce{P4O10}\) | декаоксид тетрафосфора |
| \(\ce{N2O5}\) | пентаоксид диазота | \(\ce{IF7}\) | гептафторид иода |
При дальнейшем изучении химии вам встретится несколько широко употребительных названий, не подчиняющихся общим правилам. Например, \(\ce{NO}\) часто называют «оксидом азота(II)» или nitric oxide, тогда как систематическое название — монооксид азота. Аналогично \(\ce{N2O}\) известен как «закись азота» (nitrous oxide), хотя по нашим правилам он должен был бы называться монооксидом диазота. (А \(\ce{H2O}\) обычно называют водой, а не «монооксидом дигидрогена».) Подобные обиходные названия следует запоминать по мере того, как они встречаются.
Пример 4.5. Наименование ковалентных соединений
Назовите следующие ковалентные соединения:
(a) \(\ce{SF6}\)
(b) \(\ce{N2O3}\)
© \(\ce{Cl2O7}\)
(d) \(\ce{P4O6}\)
Решение. Поскольку все эти соединения состоят исключительно из неметаллов, число атомов каждого элемента обозначаем приставками:
(a) гексафторид серы;
(b) триоксид диазота;
© гептаоксид дихлора;
(d) гексаоксид тетрафосфора.
Проверь себя. Запишите формулы следующих соединений:
(a) пентахлорид фосфора;
(b) монооксид диазота;
© гептафторид иода;
(d) тетрахлорид углерода.
Ответ: (a) \(\ce{PCl5}\); (b) \(\ce{N2O}\); © \(\ce{IF7}\); (d) \(\ce{CCl4}\).
Дополнительно
На сайте openstax.org/l/16chemcompname можно потренироваться в наименовании химических соединений и записи формул. Доступны бинарные, многоатомные и переменновалентные ионные соединения, а также молекулярные соединения.
Бинарные кислоты¶
Некоторые соединения, содержащие водород, относятся к важному классу веществ, именуемых кислотами (acids). Химия этих соединений подробно рассматривается в последующих главах; пока достаточно отметить, что многие кислоты при растворении в воде высвобождают ионы водорода \(\ce{H+}\). Чтобы отразить это характерное химическое свойство, водным растворам кислот в английской номенклатуре дают название, производное от названия соединения. Если соединение является бинарной кислотой (binary acid) (то есть состоит из водорода и одного другого неметаллического элемента):
- слово «hydrogen» заменяется приставкой hydro-;
- к названию второго неметаллического элемента добавляется суффикс -ic;
- вторым словом ставится «acid».
Например, когда газ \(\ce{HCl}\) (hydrogen chloride) растворяют в воде, полученный раствор называют hydrochloric acid. В русской традиции водные растворы таких кислот именуют иначе — по схеме «название неметалла-(о)водородная кислота»: \(\ce{HCl}(aq)\) — хлороводородная (тривиальное название — соляная) кислота, \(\ce{HBr}(aq)\) — бромоводородная, и так далее. Несколько других примеров приведено в табл. 4.8.
Таблица 4.8. Названия некоторых простых кислот.
| Газ | Раствор кислоты |
|---|---|
| \(\ce{HF}(g)\), фтороводород | \(\ce{HF}(aq)\), фтороводородная (плавиковая) кислота |
| \(\ce{HCl}(g)\), хлороводород | \(\ce{HCl}(aq)\), хлороводородная (соляная) кислота |
| \(\ce{HBr}(g)\), бромоводород | \(\ce{HBr}(aq)\), бромоводородная кислота |
| \(\ce{HI}(g)\), иодоводород | \(\ce{HI}(aq)\), иодоводородная кислота |
| \(\ce{H2S}(g)\), сероводород | \(\ce{H2S}(aq)\), сероводородная кислота |
Кислородсодержащие кислоты (оксокислоты)¶
Многие соединения, в которые входят три и более элементов (например, органические или координационные соединения), подчиняются специальным правилам номенклатуры, с которыми вы познакомитесь позднее. Здесь же мы коротко обсудим важный класс — оксокислоты (oxyacids), то есть соединения, содержащие водород, кислород и хотя бы один другой элемент, связанные так, что соединение приобретает кислотные свойства (подробности — в одной из следующих глав). Типичная оксокислота состоит из водорода в сочетании с многоатомным кислородсодержащим анионом. Чтобы дать английское название оксокислоте, действуют так:
- слово «hydrogen» опускают;
- начинают с корня названия аниона;
- суффикс -ate заменяют на -ic, а -ite — на -ous;
- добавляют слово «acid».
Например, для \(\ce{H2CO3}\) (которое можно было бы по аналогии назвать «hydrogen carbonate») получаем: «hydrogen» убираем, -ate в carbonate меняем на -ic, добавляем «acid» — получается carbonic acid. В русской номенклатуре каждой такой кислоте отвечает традиционное название («угольная», «азотная», «серная» и т. д.); системы суффиксов аниона напрямую переносить с английского нельзя. Однако сохраняется общая логика: чем выше степень окисления центрального элемента, тем «выше» приставка/суффикс в названии кислоты (пер-...-ная > -ная > -истая > -новатистая). Другие примеры приведены в табл. 4.9. У общего правила есть исключения (так, \(\ce{H2SO4}\) называют sulfuric, а не sulfic acid, и \(\ce{H2SO3}\) — sulfurous, а не sulfous).
Таблица 4.9. Названия распространённых оксокислот.
| Формула | Название аниона | Название кислоты (рус.) | Название (англ.) |
|---|---|---|---|
| \(\ce{HC2H3O2}\) | ацетат | уксусная кислота | acetic acid |
| \(\ce{HNO3}\) | нитрат | азотная кислота | nitric acid |
| \(\ce{HNO2}\) | нитрит | азотистая кислота | nitrous acid |
| \(\ce{HClO4}\) | перхлорат | хлорная кислота | perchloric acid |
| \(\ce{HClO3}\) | хлорат | хлорноватая кислота | chloric acid |
| \(\ce{HClO2}\) | хлорит | хлористая кислота | chlorous acid |
| \(\ce{HClO}\) | гипохлорит | хлорноватистая кислота | hypochlorous acid |
| \(\ce{H2CO3}\) | карбонат | угольная кислота | carbonic acid |
| \(\ce{H2SO4}\) | сульфат | серная кислота | sulfuric acid |
| \(\ce{H2SO3}\) | сульфит | сернистая кислота | sulfurous acid |
| \(\ce{H3PO4}\) | фосфат | фосфорная (ортофосфорная) кислота | phosphoric acid |