Е.Н.ФРЕНКЕЛЬ

Самоучитель по химии

Пособие для тех, кто не знает, но хочет узнать и понять химию

Часть I. Элементы общей химии
(первый уровень сложности)

Продолжение. Начало см. в № 13/2007

Глава 2. Важнейшие классы
неорганических соединений

2.1. Оксиды

Оксиды – сложные вещества, которые состоят из атомов двух химических элементов, один из которых кислород.

Определим, какое из следующих соединений оксид:

PH₃, H₃PO₄, P₂O₅.

К оксидам относят соединение P₂O₅. Два других вещества – не оксиды: в состав РН₃ не входит атом кислорода, а в состав H₃PO₄ входят атомы трех химических элементов – H, Р, O.

Названия оксидов складываются из двух слов: первое слово – «оксид», второе слово – название химического элемента, образующего данный оксид, в родительном падеже. Например: СаО – оксид кальция.

Если оксид образован химическим элементом с переменной валентностью, то после названия элемента нужно указать его валентность. Например: Fe₂О₃ – оксид железа(III), FеО – оксид железа(II).

Задание 2.1. Среди следующих соединений найдите оксиды и назовите их:

N₂O₃, NH₃, MnO₂, H₂O, HCl, NaOH, Na₂O, P₂O₅, H₂SO₄.

Задание 2.2. Составьте формулы следующих оксидов:

оксид хрома(III), оксид углерода(IV), оксид магния, оксид серы(VI), оксид азота(V), оксид калия, оксид марганца(VI).

Многие оксиды могут реагировать с кислотами или основаниями. В таких реакциях получаются соли. Поэтому такие оксиды называются солеобразующими.

Однако существует небольшая группа оксидов, которые к таким реакциям не способны. Такие оксиды называют несолеобразующими.

Задание 2.3. Назовите несолеобразующие оксиды: H₂O, CO, N₂O, NO, F₂O.

Некоторые оксиды имеют особые (тривиальные) названия: Н₂О – вода, СО – угарный газ, СО₂ – углекислый газ и др.

Солеобразующие оксиды подразделяют на три группы: основные, кислотные, амфотерные.

Точно установить характер оксида можно, только изучая его химические свойства. Например, кислотные оксиды реагируют с основаниями и не реагируют с кислотами. Основные оксиды реагируют с кислотами и не реагируют с основаниями. Амфотерные оксиды могут реагировать и с кислотами, и с основаниями.

По формуле оксида можно определить, какими свойствами он обладает. Правда, иногда эта оценка будет приблизительной.

• Неметаллы образуют только кислотные и безразличные оксиды.

• Металлы в зависимости от валентности могут образовывать разные оксиды – основные, амфотерные и кислотные.

Предсказать свойства оксида металла может помочь эта схема:

Основные оксиды металлов от кислотных оксидов металлов отличить легко: малая валентность металла – основный оксид, большая – кислотный. Как быть с амфотерными оксидами? «Любимая» валентность металлов в этих оксидах III, но есть и исключения. Поэтому желательно запомнить формулы наиболее часто встречающихся амфотерных оксидов: ZnO, Al₂O₃, SnO, PbO, Cr₂O₃.

Задание 2.4. Назовите амфотерные оксиды:

ZnO, SnO, PbO, Al₂O₃, Cr₂O₃.

Задание 2.5. Классифицируйте приведенные ниже оксиды:

V₂O₅, SO₂, ZnO, Fe₂O₃, SO₃, CO₂, Li₂O, FeO, Al₂O₃, H₂O, BaO.

Задание рекомендуется выполнить по следующей схеме.

1) Определить, какой это оксид – солеобразующий или несолеобразующий.

2) Определить, какой элемент входит в состав солеобразующего оксида – металл или неметалл. Для этого надо выписать из таблицы Д.И.Менделеева символы элементов-неметаллов. Они расположены в главных подгруппах на линии бор – астат и выше этой линии (рис. 1).

3) Если в состав оксида входит атом неметалла, то оксид кислотный.

4) Если в состав оксида входит атом металла, то следует определить его валентность и по ней выяснить характер оксида – основный, амфотерный или кислотный.

Например: Cr₂O₃ – амфотерный, т.к. хром – металл с валентностью III;

N₂O₃ – кислотный оксид, т.к. азот – неметалл;

CrO₃ – кислотный оксид, т.к. хром – металл с высокой валентностью VI.

Зная характер оксида, можно описать его свойства.

Свойства кислотных оксидов

• Кислотные оксиды реагируют c водой, образуя кислоты. Например:

CO₂ + H₂O = H₂CO₃.

Чтобы составить формулу кислоты, нужно сложить все атомы исходных веществ, записывая на первом месте атом водорода, на втором – элемент, образующий оксид, и на последнем – кислород. Если индексы получились четными, то их можно сократить:

N₂O₃ + H₂O = H₂N₂O₄ (2HNO₂).

Эти же реакции можно записать в виде арифметического примера:

Задание 2.6. Составьте уравнения реакций кислотных оксидов из задания 2.5 с водой.

• Кислотные оксиды реагируют с осно?вными оксидами, образуя соли соответствующей кислоты, т.е. соль той кислоты, которая образуется при взаимодействии этого оксида с водой. Например:

Чтобы составить такое уравнение, нужно действовать по следующей схеме.

1) Составить формулу кислоты (прибавив к молекуле оксида молекулу воды):

CO₂ + H₂O = H₂CO₃.

2) Определить валентность кислотного остатка (это часть молекулы кислоты без атомов водорода). В данном случае кислотный остаток имеет состав СО₃, его валентность равна числу атомов водорода в кислоте, т.е. II.

3) Cоставить формулу соли, записав вместо атомов водорода атом металла из основного оксида с его валентностью (в данном случае натрий).

4) Составить формулу соли по валентности металла и кислотного остатка: Na₂CO₃.

Задание 2.7. Составьте уравнения реакций кислотных оксидов из задания 2.5 с оксидом кальция.

• Кислотные оксиды реагируют с основаниями, образуя соль соответствующей кислоты и воду. Например:

Принципы составления уравнений реакций с основаниями те же, что и для реакций с осно?вными оксидами (см. выше).

Задание 2.8. Составьте уравнения реакций кислотных оксидов из задания 2.5 с гидроксидом натрия NаОН.

З а п о м н и т е! Кислотные оксиды ни с кислотами, ни c кислотными оксидами не реагируют.

Свойства основных оксидов

• Основные оксиды реагируют с водой, образуя основания. Реакция протекает, если получающееся основание растворимо в воде.

Общая формула оснований – М(ОН)_х, где х – число ОН-групп, равное валентности металла М. Например:

СаО + Н₂О = Са(ОН)₂,

Fe₂O₃ + Н₂О нет реакции.

Последняя реакция не идет, т.к. основание Fe(ОН)₃ нерастворимо в воде. Растворимость веществ в воде можно определить по таблице растворимости (рис. 2).

Рис. 2. Таблица растворимости (фрагмент)

Условные обозначения: р – растворимо в воде, м – малорастворимо в воде,
н – нерастворимо в воде.

При определении возможности протекания данной реакции можно использовать и другое правило.

Основный оксид реагирует с водой, если он образован активным металлом. Эти металлы стоят в ряду напряжений до магния: Li, K, Ba, Ca, Na, Mg…

Задание 2.9. Составьте уравнения реакций основных оксидов из задания 2.5 с водой.

• Основные оксиды реагируют с кислотами, образуя соль и воду:

Обратите внимание: при составлении формулы соли нужно вместо атомов водорода в формуле кислоты написать символ металла, а затем расставить индексы согласно валентности.

Задание 2.10. Составьте уравнения реакций осно?вных оксидов из задания 2.5 с Н₂SО₄.

• Основные оксиды реагируют с кислотными оксидами, образуя соли.

• Некоторые основные оксиды реагируют при нагревании с водородом, при этом образуются металл и вода:

CuO + H₂ = Cu + H₂O.

З а п о м н и т е! Основные оксиды с основаниями и основными оксидами не реагируют!

В ы в о д. В реакцию легче всего вступают вещества с противоположными свойствами и не вступают в реакцию вещества со сходными свойствами.

Свойства амфотерных оксидов

Амфотерные оксиды (от греч. amphi – двойной) проявляют двойственные свойства: они могут реагировать и с кислотами, и с основаниями (точнее, со щелочами). При этом образуются соль и вода. Например:

Задание 2.11. Составьте уравнения реакций амфотерных оксидов из задания 2.5 с КОН и НNО₃.

Задание 2.12. С какими из веществ – Н₂О, NаОН, НСl – могут реагировать следующие оксиды:

Cr₂O₃, CrO, SO₃, V₂O₅?

Составьте уравнения возможных реакций.

Способы получения оксидов

Оксиды могут быть получены при разложении некоторых кислот, оснований, солей:

H₂SO₃ = SO₂ + H₂O,

Cu(OH)₂ = CuO + H₂O,

Са(НСО₃)₂ = Н₂О + СО₂ + СаСО₃.

Оксиды обычно получают сжиганием в кислороде простых и сложных веществ:

2Mg + O₂ = 2MgO,

C + O₂ = CO₂,

2H₂ + O₂ = 2H₂O,

CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O.

Обратите внимание: при сгорании сложного вещества образуются оксиды элементов, которые входят в его состав. Исключение составляют только азот и галогены, которые выделяются в виде простых веществ.

В ы в о д ы по главе 2.1

Молекулы оксидов состоят из атомов двух элементов. Один из этих элементов – кислород.

Оксиды, образующие соли, бывают кислотными, амфотерными и основными.

Оксиды реагируют с веществами, которые проявляют противоположные свойства.

Основные оксиды реагируют с кислотными оксидами или кислотами, кислотные оксиды – с основными оксидами или основаниями, амфотерные оксиды – и с кислотами, и с основаниями (щелочами).

2.2. Кислоты

Кислоты – это сложные вещества, в состав молекул которых входят активные атомы водорода и кислотные остатки. Активный атом водорода в химических реакциях способен замещаться на атом металла, в результате чего всегда получается соль.

В формулах неорганических кислот атом водорода записывается на первом месте*. Например:

В состав молекулы любой кислоты кроме атомов водорода входит кислотный остаток. Кислотный остаток – это часть молекулы кислоты без атомов водорода (которые могут быть замещены на атом металла). Валентность кислотного остатка равна числу таких атомов водорода:

При определении валентности кислотного остатка учитываются те атомы водорода, которые участвовали в реакции или могут участвовать в ней. Так, фосфорной кислоте Н₃РО₄ в зависимости от условий могут соответствовать кислотные остатки разного состава:

У органических кислот не все атомы водорода в молекуле способны замещаться на атом металла:

Задание 2.13. Определите состав и валентность кислотных остатков для кислот, учитывая, что все атомы водорода кислот активные:

HNO₃, H₂S, NaHCO₃, H₂SO₃, KOH, HMnO₄.

По числу атомов водорода в молекулах кислоты делят на одноосновные и многоосновные.

Например:

HCl – одноосновная кислота, т. к. в ее молекуле один атом водорода;

Н₂СО₃ – двухосновная кислота, т. к. в ее молекуле два атома водорода.

По составу кислоты делят на бескислородные (НСl, Н₂S) и кислородсодержащие (НСlO, Н₂SO₄).

Бескислородные кислоты представляют собой растворы некоторых газов в воде, при этом и растворенному газу, и полученному раствору приписывают одинаковые свойства, хотя это не так. Например, из простых веществ водорода и хлора получается газ хлороводород:

H₂ + Cl₂ = 2HCl.

Этот газ не проявляет кислотных свойств, если он сухой: его можно перевозить в металлических емкостях, и никакой реакции не происходит. Но при растворении хлороводорода в воде получается раствор, который проявляет свойства сильной кислоты. Такую кислоту перевозить в металлических емкостях нельзя.

Названия бескислородных кислот составляют по схеме:

элемент + водород + «ная» кислота.

Например: H₂S – сероводородная кислота (раствор газа сероводорода в воде).

Некоторые бескислородные кислоты имеют особые (тривиальные) названия: НСl – соляная кислота (раствор газа хлороводорода в воде), НF – плавиковая кислота (раствор газа фтороводорода в воде).

Задание 2.14. Дайте химические названия соляной и плавиковой кислотам.

Кислородсодержащие кислоты могут быть получены при действии воды на кислотные оксиды (см. выше). Исходные кислотные оксиды называют «ангидриды кислот»:

Метафосфорная кислота неустойчива и, присоединяя воду, превращается в более устойчивую ортофосфорную кислоту:

Или в суммарном виде:

Р₂О₅ + 3Н₂О = 2Н₃РО₄ .

Таким образом, Р₂O₅ – ангидрид фосфорной кислоты, а также некоторых других, менее устойчивых кислот.

Обратите внимание: название кислородсодержащей кислоты содержит в виде корня название элемента, входящего в состав ангидрида: фосфор Р фосфорный ангидрид Р₂О₅ фосфорная кислота Н₃РО₄.

Если элементу соответствует несколько кислот, то для кислоты с большей валентностью элемента, входящего в состав ангидрида, в названии употребляют суффиксы «н» или «в». Для кислот с меньшей валентностью элемента в название кислоты добавляют суффикс «ист».

Валентность элемента проще всего определять по формуле ангидрида:

В названии сернистой кислоты основной суффикс «ист», а суффикс «н» введен дополнительно для благозвучия.

Сведения о названиях некоторых кислот обобщены в табл. 3.

Таблица 3

Названия кислот

Задание 2.15. Вместо пропусков в табл. 3 напишите формулы и названия соответствующих кислот.

Задание 2.16. Напишите на память (никуда не заглядывая) формулы кислот: кремниевой, сернистой, серной, сероводородной, азотистой, азотной, соляной, фосфорной, угольной. Укажите ангидриды этих кислот (там, где они существуют).

Свойства кислот

Главным свойством всех кислот является их способность образовывать соли. Соль образуется в любой реакции, в которой участвует кислота, при этом замещаются активные атомы водорода (один или несколько).

• Кислоты реагируют с металлами. При этом атомы водорода кислоты замещаются на атомы металла с образованием растворимой соли и водорода. Например:

Не все металлы способны вытеснять водород из растворов кислот. Этот процесс возможен только для тех металлов, которые стоят в ряду напряжений (ряд активности) до водорода (рис. 3, см. с. 20):

Рис. 3. Ряд напряжений металлов

Задание 2.17. Составьте уравнения возможных реакций:

серная кислота + алюминий,

соляная кислота + серебро,

бромоводородная кислота + цинк.

При составлении уравнений пользуйтесь рядом напряжений. Не забывайте, составляя формулы солей, учитывать валентности металла и кислотного остатка.

Некоторые кислоты могут растворять металлы, которые стоят в ряду напряжения после водорода, но водород при этом не выделяется:

3Cu + 8HNO₃ = 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O.

• Кислоты реагируют с основаниями, образуя соль и воду**. Это реакция обмена, и поэтому валентность составных частей в результате реакции не меняется:

Расставим коэффициенты:

2Н₃РО₄ + 3Са(ОН)₂ = Са₃(РО₄)₂ + 6Н₂О.

Задание 2.18. Составьте уравнения реакций:

серной кислоты и Fe(ОН)₃,

соляной кислоты и Ва(ОН)₂,

сернистой кислоты и NаОН.

Не забудьте порядок действий: составить формулу соли по валентности металла и кислотного остатка; расставить коэффициенты.

• Кислоты могут реагировать с солями. При этом сильная кислота вытесняет более слабую из ее соли.

К сильным кислотам относятся серная, азотная, соляная и др.

К слабым кислотам относятся угольная, кремниевая, сероводородная, азотистая.

В реакции обмена кислоты с солью образуются новая соль и новая кислота. Например:

2HNO₃ + CaCO₃ = Ca(NO₃)₂ + H₂CO₃.

Более подробно о подобных реакциях см. главу 6.

Задание 2.19. Составьте, не обращаясь к учебнику и пособиям, формулы: а) сильных кислот;
б) слабых кислот.

Задание 2.20. Составьте уравнения реакций:

соляная кислота + FeS,

азотная кислота + Na₂SiO₃,

серная кислота + K₂CO₃.

• Как обнаружить кислоту в растворе? Например, в одном стакане налита вода, а в другом – раствор кислоты. Как определить, где кислота? Хотя все кислоты кислые на вкус, пробовать их нельзя, это опасно. Выручают особые вещества – индикаторы. Это соединения, которые изменяют цвет в присутствии кислот.

Синий лакмус в кислоте становится красным; оранжевый метилоранж тоже становится красным в присутствии кислот.

В ы в о д ы по главе 2.2

Кислоты классифицируют:

по числу атомов водорода – на одноосновные, двухосновные и т.д.;

по наличию атома кислорода в составе молекулы – на бескислородные и кислородсодержащие;

по силе – на сильные и слабые;

по устойчивости – на устойчивые и неустойчивые.

Кислоты реагируют:

с активными металлами (стоящими в ряду активности до Н),

с основаниями,

с основными и амфотерными оксидами,

с солями более слабых кислот.

Кислоты обнаруживаются индикаторами в кислой («красной») области.

* В химических формулах органических кислот атом водорода стоит в конце, например CH₃COOH – уксусная кислота.

** Реакция между кислотой и основанием называется реакцией нейтрализации.

Продолжение следует