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, 18/2007

Глава 2. Важнейшие классы
неорганических соединений (окончание)

2.3. Основания

Основания – это сложные вещества, в состав которых входят атомы металлов и гидроксигруппы ОН.

Общая формула оснований: где n – число групп ОН и валентность металла.

Валентность ОН-группы равна I.

Основания называют по схеме:

гидроксид (чего?) металла (n),

где n – переменная валентность металла.

Например: Са(ОН)₂ – гидроксид кальция, Fе(OH)₃ – гидроксид железа(III), NH₄OH – гидроксид аммония.

Обратите внимание. В состав последнего основания не входит атом металла. Это исключение. Валентность группы NН₄ (аммоний) равна I.

По растворимости в воде основания подразделяют на растворимые и нерастворимые. Это легко определить по таблице растворимости.

Растворимые в воде основания называются щелочами. В состав щелочей входят атомы активных металлов (они находятся в начале ряда напряжений, до магния). Гидроксид аммония тоже относится к щелочам, т.к. существует только в растворах.

Задание 2.21. Пользуясь таблицей растворимости или рядом напряжений, составьте химические формулы двух-трех щелочей.

Свойства и способы получения щелочей

Щелочи можно получить действием активного металла (K, Nа, Cа, Ва) или его оксида на воду:

2Nа + 2H₂O = 2NаОН + H₂,

СаO + H₂O = Са(ОH)₂.

• Растворы щелочей реагируют с кислотными и амфотерными оксидами, а также с кислотами. Последняя реакция называется реакцией нейтрализации:

Реакция нейтрализации характерна для всех кислот.

• Растворы щелочей реагируют с растворами солей. Реакция происходит, если образуется хотя бы одно нерастворимое соединение. Эта реакция относится к реакциям обмена, т.е. в результате получается новая соль и новое основание:

Обратите внимание. 1) Последняя реакция не происходит, т.к. оба вещества в правой части уравнения растворимы в воде.

2) Валентности составных частей исходных веществ определяйте по кислотному остатку или по числу групп ОН.

3) Полученные значения валентностей используйте при составлении формул веществ – продуктов реакции.

4) Растворимость получаемых веществ определяйте по таблице растворимости.

Задание 2.22. Расставьте коэффициенты в приведенных выше схемах реакций.

Задание 2.23. Составьте уравнения возможных реакций обмена:

Fe(NO₃)₃ + гидроксид калия,

Na₂SO₃ + гидроксид кальция,

K₃PO₄ + гидроксид аммония.

Определите, какая из реакций не происходит и почему.

• Растворы щелочей, как и растворы кислот, изменяют окраску индикаторов. В растворе щелочи фиолетовый лакмус синеет, оранжевый метилоранж желтеет, бесцветный фенолфталеин краснеет.

Все изменения окрасок индикаторов можно свести в таблицу (табл. 4):

Таблица 4

Окраска индикаторов в различных средах

Обратите внимание. Если к воде добавить кислоту, то среда раствора будет кислая, если добавить щелочь – среда щелочная, в чистой воде среда нейтральная.

В о п р о с  1. Можно ли при помощи фенолфталеина узнать, какая жидкость в стакане: вода, кислота НCl, раствор KОН? Можно ли для этого использовать раствор лакмуса?

В о п р о с  2. Почему реакцию между кислотой и щелочью называют реакцией нейтрализации?

Свойства и способы получения
нерастворимых в воде оснований

Среди нерастворимых в воде оснований следует выделить особую группу веществ – амфотерные гидроксиды. Их свойства будут рассмотрены ниже. Способы получения амфотерных оснований такие же, как и нерастворимых оснований.

Нерастворимые основания получают, действуя на раствор соли, в состав которой входит нужный атом металла, раствором щелочи:

CuSO₄ + 2NaOH = Cu(OH)₂ + Na₂SO₄.

Попробуем определить, какие вещества нужно взять для того, чтобы получить гидроксид марганца(II). До реакции составные части нерастворимого основания Mn(OH)₂ находились в составе растворимых веществ – соли марганца (например, MnCl₂) и щелочи (например, KOH):

Уравнение реакции:

MnCl₂ + 2KOH = Mn(OH)₂ + 2KCl.

Задание 2.24. Напишите уравнения реакций, при помощи которых можно получить:

а) гидроксид железа(III); б) гидроксид железа(II).

Свойства нерастворимых в воде оснований во многом отличаются от свойств щелочей. Нерастворимые в воде основания не реагируют с растворами солей, а также с амфотерными и некоторыми кислотными оксидами.

• Нерастворимые основания реагируют с кислотами. При этом происходит растворение исходного нерастворимого вещества (осадка). Например:

Таким образом, подобные реакции возможны, если образуется растворимая соль.

• Нерастворимые основания разлагаются при нагревании. При этом чем меньше активность металла (см. ряд напряжений), тем легче разлагается основание на оксид и воду:

Свойства амфотерных гидроксидов

Амфотерные гидроксиды соответствуют амфотерным оксидам. Это означает, что в состав амфотерного гидроксида входит тот же атом металла и с той же валентностью, что и в состав амфотерного оксида:

Амфотерные вещества проявляют двойственные свойства, они реагируют и с кислотами, и с щелочами (при этом амфотерные гидроксиды растворяются):

Если эта реакция происходит с растворами щелочей, то вместо вещества состава Na₃AlO₃ (или NaAlO₂)^* образуется сложное комплексное соединение: Na₃[Al(OH)₆] или Na[Al(OH)₄].

Задание 2.25. Составьте уравнения реакций с кислотой и со щелочью следующих амфотерных гидроксидов: а) гидроксида цинка; б) гидроксида хрома(III).

Выводы по главе 2.3. Молекулы неорганических оснований содержат гидроксигруппы ОН.

Все неорганические основания, кроме NH₄OH, содержат атомы металлов.

Основания делят на растворимые в воде (щелочи) и нерастворимые.

Растворы щелочей реагируют с кислотами (реакция нейтрализации), с кислотными и амфотерными оксидами, с растворами солей. Щелочи обнаруживаются индикаторами в щелочной («синей») области. Нерастворимые в воде основания не изменяют окраску индикатора, могут реагировать с некоторыми кислотами и кислотными оксидами. Термически неустойчивы.

2.4. Соли

Соль – это продукт реакции между кислотой и основанием.

В состав любой соли входит остаток основания (атом металла или группа NH₄) и остаток кислоты (кислотный остаток). Например:

NH₄NO₃, K₂CO₃, CaHPO₄, CuOHCl.

Задание 2.26. Для каждой из этих солей (см. выше) определите, где в ее молекуле остаток кислоты, а где – остаток основания. Определите валентности составных частей.

В состав некоторых солей входят атомы водорода или группы ОН. Такое различие подсказывает, что соли могут быть разных типов. Рассмотрим три вида солей.

Средние соли получаются, если кислота и основание полностью прореагировали:

Кислые соли получаются, если не все атомы водорода кислоты были замещены на атомы металла:

Кислотные остатки таких солей содержат атом водорода. Кислые соли могут проявлять некоторые свойства кислот. Например, они могут реагировать со щелочами:

Осно'вные соли образуются, если не все группы ОН основания замещаются на кислотный остаток:

Такие соли содержат гидроксигруппу ОН. Осно'вные соли могут проявлять некоторые свойства оснований. Например, они реагируют с кислотами:

Во многих примерах, которые иллюстрировали свойства оксидов, кислот и оснований, продуктами реакции были соли. Попробуем обобщить эти сведения и выяснить, в результате каких процессов можно получить соль заданного состава.

Способы получения солей

Способы получения солей можно условно разбить на две группы:

1-й с п о с о б – получение солей из веществ, которые не являются солями;

2-й с п о с о б – получение солей из других солей.

Реакции 1-го с п о с о б а основаны на том, что в реакцию вступают противоположные по свойствам вещества (рис. 4).

Рис. 4. Генетическая связь между неорганическими веществами разных классов

Приведем конкретные примеры:

1) металл + неметалл:

Fe + S FeS;

2) металл + кислота:

Fe + HCl FeCl₂ + H₂;

3) осно'вный оксид + кислотный оксид:

CaO + P₂O₅ Ca₃(PO₄)₂;

4) осно'вный оксид + кислота:

MgO + HNO₃ Mg(NO₃)₂ + H₂O;

5) основание + кислота:

NaOH + H₂SO₄ Na₂SO₄ + H₂O;

6) основание + кислотный оксид:

KOH + CO₂ K₂CO₃ + H₂O.

Задание 2.27. Расставьте коэффициенты в схемах реакций 1–6. Приведите свои примеры аналогичных реакций каждого типа.

Реакции 2-го  с п о с о б а являются реакциями обмена или замещения. В каждой из таких реакций участвует соль, поэтому 2-й способ получения солей можно рассматривать как химические свойства солей.

• Более активный металл вытесняет менее активный из растворов его солей:

Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu.

Обратный процесс не идет:

Активность металлов можно определять по ряду напряжений. Любой металл в этом ряду активнее всех металлов, стоящих правее него.

• Сильная кислота вытесняет более слабую кислоту из ее соли:

2HNO₃ + CaCO₃ = Ca(NO₃)₂ + H₂CO₃.

• Щелочь, реагируя с солью, образует новое основание и новую соль:

3KОН + АlС1₃ = А1(OH)₃ + 3KСl.

Такая реакция происходит, если оба исходных вещества растворимы, а хотя бы одно из полученных веществ нерастворимо.

• Соль, вступая в реакцию обмена с другой солью, образует две новые соли:

2AgNO₃ + BaCl₂ = Ba(NO₃)₂ + 2AgCl.

Эта реакция также происходит, если оба исходных вещества растворимы, а хотя бы одно из полученных веществ – нерастворимо.

Например, реакция

невозможна, т.к. обе полученные соли растворимы.

Другой процесс:

СаСО₃ + NaCl (нет реакции)

невозможен потому, что СаСО₃ (мел) нерастворим в воде.

Названия солей

Названия солей происходят от латинских названий химических элементов, которые входят в состав кислотных остатков (исключая кислород):

S – сульфур,

N – нитрогениум,

С – карбонеум,

Si – силициум.

Для солей одного элемента разного состава должны быть разные названия. Названия солей получают введением суффиксов:

для солей бескислородных кислот -ид;

для солей кислородсодержащих кислот -ит (меньшая валентность элемента)

или -ат (бoльшая валентность элемента).

Задание 2.28. Составьте названия солей, содержащих серу: K₂S, K₂SO₃, K₂SO₄.

(При правильной работе должно получиться:

K₂S – cульфид,

K₂SO₃ – cульфит,

K₂SO₄ – cульфат.)

Задание 2.29. Дополните табл. 5, составив химические формулы солей тех металлов, которые указаны в таблице.

Таблица 5

Названия солей

При составлении названий кислых солей используют частицу «гидро»: KНСО₃ – гидрокарбонат калия.

При составлении названий оснoвных солей используют частицу «гидроксо»: АlOНСl₂ – гидроксохлорид алюминия.

Задание 2.30. Назовите все соли, которые встречаются в тексте и уравнениях реакций этого раздела.

Задание 2.31. Составьте по три-четыре уравнения реакций получения:

а) бромида магния;

б) сульфата цинка.

Выводы по главе 2.4. Соли состоят из остатков веществ, которые проявляют противоположные свойства: кислотные и оснoвные, металлические и неметаллические.

Упражнения к главе 2

1. Классифицируйте и дайте химические названия известным веществам:

поваренная соль – NaCl,

питьевая сода – NaHCO₃,

стиральная сода – Na₂CO₃,

песок – SiO₂,

каустическая сода – NaOH,

мел, мрамор, известняк – CaCO₃,

калийная селитра – KNO₃,

угарный газ – CO,

силикатный клей – Na₂SiO₃,

негашеная известь – CaO,

гашеная известь, известковая вода – Ca(OH)₂,

ляпис – AgNO₃,

поташ – K₂CO₃,

углекислый газ – CO₂,

аммиачная селитра – NH₄NO₃,

нашатырь – NH₄Cl,

вода – H₂O,

нашатырный спирт – NH₄OH,

сернистый газ – SO₂.

Запомните химические формулы и обиходные названия этих веществ.

2. С какими из перечисленных веществ – гидроксид натрия, соляная кислота, вода, оксид кальция, гидроксид цинка, оксид серы(VI) – будут реагировать:

а) оксид алюминия;  б) карбонат натрия;

в) оксид меди(II);  г) азотная кислота?

Ответ представьте в виде таблицы. Напишите уравнения соответствующих реакций.

3. Напишите уравнения тех реакций, которые возможны:

оксид железа(III) + серная кислота … ,

углекислый газ + гидроксид бария … ,

оксид цинка + азотная кислота … ,

негашеная известь + гидроксид калия … ,

сернистый газ + соляная кислота … ,

оксид цинка + гидроксид калия … ,

оксид железа(II) + вода … ,

оксид бария + вода … .

Если процесс невозможен, поясните почему.

4. С какими из перечисленных ниже веществ будет реагировать раствор щелочи:

а) оксид фосфора(V);

б) оксид меди;

в) оксид алюминия;

г) фосфорная кислота;

д) гидроксид кальция;

е) гидроксид алюминия;

ж) силикат калия;

з) карбонат кальция;

и) сульфат хрома?

Будет ли с этими же веществами реагировать гидроксид меди(II)? Составьте уравнения возможных реакций.

5. Как получить из:

а) натрия – гидроксид натрия;

б) железа – гидроксид железа(III);

в) меди – гидроксид меди(II);

г) серы – серную кислоту;

д) хлора – поваренную соль (двумя способами)?

6. Осуществите превращения:

а) фосфор … фосфорная кислота соль (назовите ее);

б) кальций негашеная известь гашеная известь соль (назовите ее);

в) уголь (углерод) углекислый газ угольная кислота карбонат натрия углекислый газ;

г) хлорид цинка гидроксид цинка нитрат цинка гидроксид цинка ...;

д) песок силикатный клей кремниевая кислота.

* Ортоалюминиевая кислота H₃AlO₃ теряет молекулу H₂O, и образуется метаалюминиевая кислота HAlO₂, в которой кислотный остаток AlO₂ имеет валентность I.

Продолжение следует