АЛМАТИНСКИЙ    ИНСТИТУТ    ЭНЕРГЕТИКИ   И   СВЯЗИ

 

 

 

Кафедра промышленной теплоэнергетики

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ХИМИЯ

 

Конспект лекций

 

(для студентов, имеющих пробелы в школьной подготовке по химии)  

 

Часть 2 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Алматы 2004

АВТОР: А.И.Мокрышев. Химия. Конспект лекций (для студентов, имеющих пробелы в школьной подготовке по химии). Часть 2. – Алматы: АИЭС, 2004. – 70 с.        

 

 

Цель данного пособия помочь пользователю устранить пробелы в знаниях по основным разделам изучаемого предмета: его важнейшие понятия, строение электронной оболочки атома и ее взаимосвязь с местом элемента в периодической системе Д.И. Менделеева, основные классы неорганических соединений, обменные, ионные и окислительно-восстановительные  реакции. Как показал многолетний опыт работы автора со студентами и специалистами-инженерами для освоения этих вопросов достаточно 20-25 академических часов упорного труда,  после чего учебник по курсу общей и неорганической  химии для нехимических специальностей  вузов становится понятным и по другим разделам химии. Пособие может оказаться  полезным студентам и инженерам, не имеющим базового химического образования, но работающим в отраслях связанных с химией, например, теплоэнергетике, экологии, технике безопасности и др.

Автор не претендует на исчерпывающее изложение всех затронутых вопросов, а рассматривает только наиболее часто встречающие закономерности. Все остальное следует смотреть в специальной химической литературе.       

Библиогр. – 3 назв.      

 

 

 

 

 

Рецензент: д-р хим.наук, проф., зав.каф.химии и химической экологии КазГУ А. Г. Сармурзина.      

 

 

 

 

 

Печатается по плану издания Алматинского института энергетики и связи на 2004 г.

 

 

 

 

 

 

ã Алматинский институт энергетики и связи, 2004 г.

1 Основные классы неорганических соединений

 

Как отмечалось ранее, вследствие образования химических связей между элементами, образуются миллионы различных соединений, и разобраться в этом многообразии веществ без четкой классификации невозможно. Рассмотрим основные классы неорганических соединений.

 

Соединение из двух элементов

   

Соединение металлов с неметаллами

 

В этих соединениях первым записывается металл, затем – неметалл, проставляются ОЧ и в правом нижнем углу элемента записываются индексы, указывающие количество атомов в соединении, с тем, чтобы молекула в целом была электронейтральной. В соединении натрия с хлором первым записывается натрий.

 

Na⁺¹Cl^-1

 

В данном случае ОЧ натрия +1, хлора -1, сумма 0, следовательно, в соединений должно быть по одному атому. В этом случае индексы (единица) не записываются.

Соединение никеля и водорода, первым записывается никель.

 

Ni⁺²H^-1

 

В данном случае ОЧ атомов не совпадают и суммарный заряд +2-1 ≠ 0. Как поступить в данном случае? Находим наименьшее общее кратное между ОЧ элементов и записываем его в кружок выше ОЧ элементов (напомню, что наименьшее общее кратное это наименьшее число, которое делится на оба числа – в данном случае ОЧ - без остатка). В нашем случае оно равно 2.

 

­

Ni⁺²H^-1

 

Затем разделим наименьшее общее кратное на модуль ОЧ первого элемента. Таким образом, определим количество его атомов – для никеля оно равно 1 и, как уже отмечалось, не пишется. Для второго элемента - водорода результат деления – 2, т.е. количество его атомов равно двум, а окончательный вариант формулы:

 

­

Ni H

 

Теперь количество положительных и отрицательных зарядов совпадет: (+2 × 1) + (-1 × 2) = 0.

Повторим все процедуры для соединения калия и серы.

 

­

K S

 

Для практики напишем соединения двухвалентного железа и трехвалентного хрома с мышьяком:

 

±

Fe As

 

®

Cr⁺³As^-3

 

Хочу предупредить, что для правильной записи формул на первых порах записывается ОЧ и наименьшее общее кратное обязательно, и, лишь получив достаточно устойчивые навыки, можно опустить только наименьшее общее кратное.

Иногда говорят, что можно просто поменять местами крест-накрест ОЧ и записать соответствующие индексы.  Это не так. Рассмотрим соединение серы с кислородом:

 

¯

S O

 

Индексы в формуле 1 и 2, а вовсе 2 и 4.

Название подобных соединений образуются из латинского корня неметалла с окончанием –ид и русского названия металла в родительном падеже.

 

Na⁺¹Cl^-1 – хлорид натрия

 

Ni⁺²H^-1 – гидрид никеля

 

K S – сульфид калия

 

Fe As – арсенид железа

 

Cr⁺³As^-3 − арсенид хрома

 

W O – оксид вольфрама

 

В тех случаях, когда металл имеет переменную валентность, она указывается в названии римскими цифрами.

                                                      

Fe As – арсенид железа II

 

Cr⁺³As^-3 − арсенид хрома III

 

W O − оксид вольфрама IV

 

Вещества, известные с глубокой древности, имеют и обыденные, тривиальные названия, например, NaCl – поваренная соль, которую мы употребляем в пищу. Латинское название – галит, соль. Отсюда общее, групповое название p-элементам VII группы периодической системы – галогены, т.е. солероды (рождающие соль).

 

Соединения из двух неметаллов

 

В этих соединениях первым, как правило, записывается неметалл с положительным ОЧ (т.е. менее электроотрицательный). Правила написания формул одинаковы с теми, что рассмотрены выше. Названия тоже.

Например, соединение бора и фтора. Первым записывается бор:

 

B F – фторид бора.

 

Соединение серы и углерода. Первым записывается углерод:

 

C S – сульфид углерода

 

Соединение серы и хлора:

 

C Cl – хлорид углерода

 

Для подобных соединений часто применяется русская номенклатура (система названий). Согласно этой номенклатуре, чтобы подчеркнуть равноправие двух неметаллов, название образуется из русских корней наименований неметаллов с соединительной гласной О, причем первым в названии идет элемент с отрицательным ОЧ. Такая система применяется, если название звучит благозвучно, например:

 

CS₂ − сероуглерод

 

CCl₄ – хлороуглерод

 

Благополучно? Следовательно, принимается. 

BF₃ – фторобор. Благозвучно? Нет, и не принимается.

 

Соединения неметаллов с водородом

 

         Практически все эти соединения – газы.

 

Соединения галогенов с водородом

 

Галогены, как отмечалось выше, (рождающие соли) − это р-элементы VII группы: фтор, хлор, бром и йод. Общее обозначение их Г (Г - большое русское). Астат – радиоактивный элемент, и обычно к галогенам не относится, хотя химические характеристики их схожи.

Записываем их соединения с водородом в столбик и дадим названия.

 

H⁺¹F^-1 – фторид водорода, фтороводород

H⁺¹Cl^-1 – хлорид водорода, хлороводород

H⁺¹Br^-1 – фторид брома, бромоводород

H⁺¹I^-1 – йодид водорода, йодоводород.

 

К этим соединениям, как правило, применяется только русская номенклатура. Обратим внимание на то, что для элементов одной группы c водородом образуются однотипные соединения, которые могут быть отражены одной формулой  и названием:

 

H⁺¹Г^-1 – хальногеноводороды

 

Эти газы хорошо растворимы в воде. Их водные растворы – кислоты.

Кислоты – это сложные вещества, состоящие из одного или нескольких катионов водорода H⁺¹ и одного аниона кислотного остатка.

Для того, чтобы разобраться в этом определении необходимо понять, что такое «электролитическая диссоциация».

Что такое ассоциация? Это объединение разных частей в единое целое. Следовательно, диссоциация – это разъединение, распад вещества на составные части. Электролит в переводе с греческого – электрический камень (листос – камень, вспомним, литосфера – каменная оболочка в строении земного шара, литография – пишу на камне, т.е. картина, полученная отпечатком с камня).

Когда происходит электролитическая диссоциация? При растворении электролитов (веществ способных к разложению) в полярных растворителях, например, в воде. Полярные молекулы растворителя ориентируются по отношению к полярным же молекулам электролита (плюс к минусу, минус к плюсу) растягивают, разъединяют электролит на заряженные частицы – ионы – из которых он состоит. Положительные частицы называются катионами, отрицательные – анионами.

Следовательно, электролитическая диссоциация – это процесс распада молекул электролита на ионы под действием полярного растворителя.

Посмотрим, как происходит электролитическая диссоциация галогеноводородов при растворении в воде.

 

H⁺¹F^-1 = H⁺¹ + F^-1

H⁺¹Cl^-1 = H⁺¹ + Cl^-1  

H⁺¹Br^-1 = H⁺¹ + Br^-1

H⁺¹I^-1 = H⁺¹ + I^-1

 

                                                         катионы        анионы

                                                        водорода     кислотного 

                                                                               остатка

 

Из приведенных схем видно, что:

- в любой кислоте обязательно присутствуют катионы водорода, а кислотные остатки могут быть разными;

- формулы галогеноводородных кислот однотипные, и диссоциация происходит по одинаковым схемам;

- кислоты,  в которых содержится один катион водорода, считаются одноосновными;

- по названию кислород должен «рождать кислоты». В этих соединениях он не содержится, поэтому они являются бескислородными.

Названия этих кислот выглядят следующим образом:

 

H⁺¹F^-1 – фтороводородная кислота

H⁺¹Cl^-1 – хлороводородная кислота

H⁺¹Br^-1 – бромоводородная кислота

H⁺¹I^-1 – йодоводородная кислота

 

Что касается тривиальных названий, то зачастую они прижились прочнее научных: HCl – соляная кислота, так как была получена из поваренной соли NaCl; HF – плавиковая кислота, так как это одна из наиболее агрессивных кислот, не может храниться в стеклянной посуде, она разъедает стекло, а в смеси с концентрированной азотной кислотой растворяет («расплавляет») металлы, которые «не по зубам» царской водке, например, цирконий, гафний, вольфрам. 

Кстати, царская водка (смесь концентрированных азотной и соляной кислоты) получила свое название, так как в ней растворяются благородные, «царские» металлы – золото, серебро, платина.

Итак, так как тривиальные названия прижились наиболее сильно к этим кислотам, будем называть их:

 

HCl – соляная кислота;

HF – плавиковая кислота.

 

Соединение водорода с халькогенами

 

Халькогены – это сера, селен и теллур – (Х) происходят от греческого хальнос – минерал, руда, то есть дословный перевод – рождающие руды, так как из руд, содержащие эти элементы еще в глубокой древности были получены первые металлы – медь, свинец, олово.

Напишем в соответствии с ОЧ соединения халькогенов с водородом и дадим им названия согласно русской номенклатуре:

 

                  H S − сероводород

                  H Se − селеноводород        общее название и формула:

                  H Te – теллурводород        H₂X - халькогеноводороды

 

Эти газы растворимы в воде (хотя значительно меньше, чем галогеноводороды), их водные растворы − кислоты.

Согласно определению, кислота состоит из одного или нескольких катионов водорода и одного аниона кислотного остатка, и поэтому халькогеноводородные кислоты могут диссоциировать последовательно (ступенчато) по схеме:

 

 

 Заостряю Ваше внимание, что все, что остается после отрыва одного или нескольких катионов водорода, является кислотным остатком, и его заряд (отрицательный) равен количеству отделившихся атомов водорода.

Напишите самостоятельно реакции ступенчатой диссоциации селено-водородной и теллуроводородной кислот и лишь затем сверьте с приведенными мной схемами:

 

H₂Se           H⁺¹ + HSe^-1             2H⁺¹ + Se^-2

 

H₂Te           H⁺¹ + HTe^-1            2H⁺¹ + Te^-2

                                     

Названия этих кислот образуются по названиям соответствующих газов:

 

                H₂S – сероводородная кислота              H₂X

                H₂Se – селеноводородная кислота        хальгеноводородные

                H₂Тe – теллуроводородная кислота      кислоты

 

Так как эти кислоты способны в химических реакциях отщеплять не только один, но и два катиона водорода, то они называются двухосновными, и, конечно, бескислородными кислотами.

 

Соединение водорода с азотом

 

В данном соединении первым, как ни странно, записывается элемент с отрицательным ОЧ (почему – несколько позже).

 

N H – аммиак

 

Аммиак – тривиальное название, принятое в евроязычных странах.

Аммиак – газ, хорошо растворимый в воде. При растворении он за счет донорно-акцепторной связи присоединяет молекулу воды: 

 

                                                    H

                                                      |           

H — N           H — O — H

                                                      |

                                                     H                                                                                                                                                                 

 

ДАС равноправна с остальными связями азота с водородом, так как каждая из них образована двумя электронами (одной электронной парой), и поэтому можно записать это соединение в виде:

 

NH OH

 

Ион NH называется ионом (катионом) аммония. Заряд +1 обусловлен тем, что к нейтральной молекуле аммиака присоединяется катион водорода H⁺¹.

Реакция взаимодействия аммиака с водой описывается уравнением:

 

N H + H O          NH OH

 

Стрелки в обоих направлениях показывают, что процесс обратим, и образовавшееся соединение может разлагаться на исходные вещества.

Концентрированный раствор аммиака в воде называется нашатырным спиртом, и, когда мы нюхаем нашатырный спирт, мы нюхаем аммиак, а не его соединение с водой.

К сведению, разбавленные растворы аммиака в воде называются аммиачной водой.    

В химических реакциях водные растворы аммиака являются щелочами.

Щелочи – это растворимые в воде основания.

Основания – это сложные вещества, состоящие из катиона (в данном случае аммония NH ) и одной или нескольких гидроксильных (гидроксо-) групп OH^-1.

Казалось бы, встретился новый термин гидроксо-группа. Но все значительно проще: формула OH^-1, латинские корни водорода и кислорода – гидр- и окс-, отсюда гидроксо-группа.

Исходя из химической природы оснований (щелочей), схема электролитической диссоциации аммиака выглядит следующим образом:

 

NH OH           NH + OH

 

Иногда NH₄OH называют гидроксидом аммония. Из морфологического анализа следует, что гидроксид – это соединение оксида с водой. Но, согласно всем нашим выкладкам, вода в данном соединении есть, а оксид, увы, отсутствует.

Попробуйте сами написать соединения аналогов азота по группе (фосфора и мышьяка) с водородом, а затем продукты их взаимодействия с водой.

 

 

Соединение водорода с углеродом, кремнием и бором

 

В этих соединениях, также как и в аммиаке, первым записываются элемент с отрицательным ОЧ.  

C H – метан, первый из гомологического ряда углеводородов, лежащих в основе органической химии.

Si H – силан, основа кремнийорганической химии.

B H – боран, однако, в связи с незавершенностью электронной оболочки бора, молекулы димеризуются (объединяются по две):

B H – диборан.

Эти газы с водой не взаимодействуют, кислотно-основных свойств не проявляют, и поэтому из дальнейшего рассмотрения нами исключены.

 

 

Соединение водорода с кислородом

 

Формула эта знакома даже самым несведущим в химии людям.

 

H O – вода

 

Естественно, у каждого народа есть свое название для этого вещества:

Казахский язык – су

Немецкий – ватер

Греческий – аква-

Латинский – гидро-

Привожу эти названия не только потому, что они применяются в химии, например гидратация, аквакомплекс и так далее, но и в обычной жизни они глубоко проникли в русский язык, например:

- аквариум, акваланг, акварель, акватория;

- гидромонитор, гидроэлектростанция, гидрогеология, гидрокостюм;

- ватерлиния, ватерклозет, ватерпас.

Кстати, как показывает опыт, последние три термины нуждаются в пояснениях.

Ватерлиния – это широкая, горизонтальная полоса, наносится красной краской на корпусе корабля, обозначающая уровень безопасного его погружения в воду. Уровень воды выше ватерлинии – судно перегружено и рискует утонуть, ниже – потерять остойчивость и перевернуться.

Во многих международных аэропортах и вокзалах на дверях туалета (наряду с ОО) есть буквы WC – ватерклозет, то есть не туалет типа сортир, знакомый нам по частным домикам, дачам и фильму «Бриллиантовая рука», а вполне приличное заведение с водой для смыва фекалиев.

Ватерпас – прибор для проверки горизонтальности поверхности. В корпусе помещении изогнутая стеклянная трубка с пузырьком воздуха. Если в установленном на проверяемую поверхность прибора пузырек находится посередине, поверхность горизонтальна, если нет – то нет.

Но все это – к сведению.

Вода диссоциирует по уравнению:

 

H₂O           H⁺¹ + OH^-1 

 

То есть, ион H⁺¹ говорит о проявлении кислотных свойств, а OH^-1 – щелочных. Так как из одной молекулы воды получается по одному иону H⁺¹ и  OH^-1, можно придти к следующему выводу:

Вода одновременно является кислотой и основанием, причем и те, и другие свойства проявляются в равной мере.     

Если в растворе концентрация ионов H⁺¹ и OH^-1 одинакова, то такая среда называется  нейтральной.         

Если к раствору добавить кислоты, то есть увеличить концентрацию ионов  H⁺¹, то среда становится кислой.       

Если к раствору добавить щелочи, то есть увеличить концентрацию гидроксил-ионов OH^-1, то среда становится щелочной.

 

Оксиды

 

Если проанализировать это слово, то окончание ид говорит о том, что это – соединение из двух элементов, а корень «окс», что один из них кислород. 

Нормальные оксиды это те, в которых O^-2.

Они являются основой для дальнейшей классификации неорганических соединений.

«Ненормальные» оксиды – это пероксиды, супероксиды, субоксиды и т.д., это те, где кислород имеет отличающееся от –2 ОЧ, и говорить в этом разделе мы о них не будем. Поэтому в дальнейшем под словом оксиды мы будем рассматривать только нормальные оксиды.

Оксиды можно разделить на два подкласса – солеобразующие и несолеобразующие.

Солеобразующие могут присоединять воду, образуя гидроксиды (вода+оксид = гидроксид).

Несолеобразующие не соединяются с водой, то есть не дают гидроксидов, не образуют кислот, оснований, солей. Их всего четыре, и их легко запомнить, так как они расположены, как я называю, в «бермудском треугольнике», – три элемента – неметаллы, расположенные рядом, кремний, углерод и азот дают четыре несолеобразующих оксида при минимальных ОЧ этих элементов: C O , Si O , N O и N O .

CO – угарный газ, очень токсичное вещество, получаемое при сгорании углеродсодержащего топлива в недостатке кислорода.

N₂O – веселящий газ, применяется при наркозе.

NO – бесцветный оксид азота II, легко доокисляется на воздухе до бурого NO₂, который взаимодействуя с водой дает смесь азотной и азотистой кислоты, способных при выпадении в виде осадков сжигать растительность.

Эти газы получаются также при высокотемпературных процессах в атмосфере (котлы электростанций, двигатели внутреннего сгорания и т.д.), то есть это отходы энергетических производств, а специалисту энергетику и экологу необходимо знать об их воздействии на окружающую среду.

Солеобразующие оксиды бывают кислотные, чьи гидроксиды кислоты, основные, чьи гидроксиды основания, и амфотерные.

Амфотерность – это способность оксидов и гидроксидов в кислой среде проявлять основные свойства, а в щелочной – кислотные, то есть противоположные к составу среды.

Что это означает? Если мы знаем свойства солеобразующего оксида, то присоединив к нему воду, легко получить формулу, соответствующую этому оксиду гидроксида – то есть кислоты или основания, например:

SO₂ – кислотный оксид, и прибавив к нему молекулу воды, мы получим формулу кислоты, соответствующей этому оксиду. Помня, что формулы кислот начинаются с водорода и заканчиваются кислородом, получаем

 

S O + H₂O = H SO  

 

Этот способ нахождения формул кислот я называю методом «формального сложения», то есть независимо от того идет или не идет реакция на самом деле, если к оксиду путем различных ухищрений присоединить молекулу воды, то формула кислоты будет именно такой. Еще пример:

 

   S O + H₂O = H SO

 

Если оксид обладает основными свойствами, то его гидроксидом будет основание, состоящее из катиона и одной или нескольких гидроксильных (гидроксо-) групп OH^-1, например, в соответствии с ОЧ формула основания CaO

 

Ca O + H₂O = Ca (OH)

 

А для двухвалентной меди:

 

Cu O + H₂O = Cu (OH)

 

Естественно, оксид меди не растворяется в воде, но если его сначала растворить в кислоте, а затем осадить щелочью, то формула его будет именно такой.

Амфотерные гидроксиды в зависимости от внешней среды могут иметь формулы кислот (в щелочной среде) или оснований (в кислой), например: в кислой среде гидроксиду амфотерного оксида, цинке может быть приписана формула основания.

 

Zn O + H₂O = Zn (OH) (в кислой среде)

 

А в щелочной – формула кислоты:

 

Zn O + H₂O = H ZnO (в щелочной среде)

 

Формулы получились разные, а одно и то же это вещество или нет? Рассмотрим структурную формулу гидроксида цинка:

 

H — O — Zn — O — H

 

Смысл амфотерности заключается в том, что прочность связи между водородом и кислородом имеет одинаковый порядок с прочностью связи между цинком и кислородом, и в кислой среде  (избыток ионов H⁺¹) от атмосферного гидроксида отрывается гидроксил – ион с образованием воды.

 

H⁺¹ + H — O — Zn — O — H + H⁺¹

 

Zn(OH)₂            Zn⁺² + 2OH^-1

 

Zn(OH)₂ + 2H⁺¹           Zn²⁺ + 2H₂O

 

А  в щелочной (избыток ионов гидроксила OH^-1) – катион водорода H⁺¹, также с образованием воды

 

OH^-1 + H — O — Zn — O — H + OH^-1

 

Zn(OH)₂            H₂ZnO₂            2H + ZnO

 

Zn(OH)₂ + 2OH            ZnO + 2H₂O

 

Свойства амфотерного гидроксида при этом остаются одними и теми же, и он (гидроксид) даже не знает, как мы его записали – в форме кислоты или основания. Справедливости ради стоит учесть, что чаще формулы амфотерных гидроксидов записываются в виде оснований, но при этом следует держать в уме, что в щелочной среде их следует рассматривать в виде кислот.

Для определения кислотно-основных свойств оксидов можно использовать следующие простые правила:

Все оксиды неметаллов – кислотные (кроме несолеобразующих).

 

Оксиды металлов в зависимости от ОЧ бывают:

+1 и +2 – основные;

+3 и +4 – амфотерные;

+5 и более – кислотные.

 

Исключения:

а) Be O ;  Zn O ;  Sn O ;  Pb O – амфотерные;

б) Fe ;  Co O ;  Ni O – основные.

 

Естественно, химия значительно более сложна, чем эти правила, но если вспомнить цель этого пособия – ликвидация пробелов в школьных знаниях, то такие обобщения, на мой взгляд, достаточно оправданы. Для того, чтобы понимать дальнейший материал, эти правила необходимо выучить наизусть так, чтобы, как говорится, «от зубов отскакивало», так как они будут применяться так же, как таблица умножения в арифметике.

Выполним следующее упражнение: определим кислотно-основные свойства следующих оксидов;

 

Na₂O,  N₂O,  Cl₂O,  PbO,  CuO,  CaO,  Cr₂O₃,  CO₂,  Fe₂O₃,  N₂O₃,  SO₂,  MnO₃,

 

N₂O₅,  Nb₂O₅,  BeO,  P₂O₃,  Al₂O₃,  BaO,  Co₂O₃.

 

Анализируем:

Na O – оксид металла, ОЧ натрия +1, следовательно, – основной оксид.

N₂O – оксид неметалла, проверяем, входит ли в несолеобразующие оксиды. Да, входит, оксид несолеобразующий.

Cl₂O – оксид неметалла, в несолеобразующие не входит, следовательно – кислотный.

PbO – оксид металла, Pb⁺²O^-2 – металл двухвалентный, входит ли в исключения, да, входит, оксид амфотерный.

CuO – оксид металла, Cu⁺²O^-2 – ОЧ металла +2, в исключения не входит, оксид основной.

CaO – оксид металла, Ca⁺²O^-2 – ОЧ металла +2, в исключения не входит, оксид основной.

Cr₂O₃ – оксид металла, Cr O – ОЧ = +3, в исключения не входит, оксид амфотерный.

Из приведенных примеров очевиден ход анализа:

- определить, что это, оксид металла или неметалла;

- если это оксид неметалла, то вспомнить, входит ли он в несолеобразующие, если нет, то оксид кислотный;

- если это оксид металла, необходимо определить ОЧ металла и далее определить его свойства  в соответствии с правилами, причем проверяя, не входит ли этот оксид в исключения.

По этой методике самостоятельно определите свойства остальных оксидов и только потом сверьтесь с ответами. В случае несовпадения обязательно разберитесь в причине ошибки.

 

CO₂,  Fe₂O₃,  N₂O₃,  SO₂,  MnO₃,  N₂O₅,  BeO,  P₂O₃,  Al₂O₃,  BaO,  Co₂O₃

         (к)       (о)       (к)      (к)      (к)       (к)       (а)      (к)       (а)       (о)       (о)

 

Далее в порядке развлечения можете поупражняться сами – OЧ элементов вам известно, написать формулы оксидов не представляет труда, а отсюда проще простого определить их кислотно-основные свойства.

 

 

 

Кислородсодержащие кислоты

 

Кислородсодержащие кислоты получаются при соединении оксидов с водой. Как и бескислородные кислоты, они состоят из одного или нескольких катионов водорода и одного кислотного остатка. Порядок записи в этих кислотах – первыми идут катионы водорода, затем элемент, образующий кислоту, потом атомы кислорода.

Рассмотрим к примеру поведение серы. Это неметалл, валентности ее II, IV, VI, ОЧ = –2, 0, +4, +6. Следовательно, в соединениях с кислородом ее ОЧ будет +4 и +6, а образовавшиеся оксиды обладают кислотными свойствами, отсюда, присоединив по методу формального сложения к оксидам воду, получим следующие кислоты:

 

S O + H₂O = H SО ,

 

S O + H₂O = H SО .

 

Если элемент дает две кислородсодержащие кислоты, то их название образуется из русского корня кислотообразующего элемента с окончаниями

- (н)ая или (о)вая при максимальной ОЧ (высшие кислоты);

- (н)истая или (о)вистая – при меньшем ОЧ (низшие кислоты).

         Подбирается то окончание, которое звучит благозвучнее.

         Буквы в скобках могут входить в название кислоты или опускаться из него, опять – таки по соображениям благозвучия.

Отсюда названия приведенных выше кислот.

H₂SO₃ – сернистая кислота

H₂SO₄ – серная кислота

Обе эти кислоты – кислородсодержащие двухосновные кислоты, то есть в химических реакциях с точки зрения электролитической диссоциации они могут вести себя двояко:

 

H₂SO₄            H + HSO             2H + SO , и

 

H₂SO₃                   H + HSO            2H + SO .

 

Все это уже пройденный этап на халькогеноводородных кислотах.

Найдем формулы кислот для углерода (ОЧ = –4, 0, +2, +4), кремния (ОЧ = –4, 0, +2, +4) и селена (ОЧ = –2, 0, +4, +6). Оксиды углерода и кремния при ОЧ = +2 – несолеобразующие, поэтому

 

 C O + H₂O          H₂CO₃ – угольная кислота

 

CO₂ – это углекислый газ, и его растворы всем вам хорошо знакомы (минеральная вода, пепси-кола другие газированные напитки)

 

 Si O + H₂O           H SiO – кремниевая кислота

 

SiO₂ – это кремнезем, проще кварц, еще проще – песок. Конечно, в воде он не растворяется, но если его сплавить со щелочью, растворить образовавшуюся соль в воде и осадить хорошо растворимой  кислотой, получим вещество, имеющее такую формулу.

 

Se O + H₂O = H SeO – селенистая кислота

Se O + H₂O = H SeO – селеновая кислота

 

Попробуем перегруппировать эти кислоты. К первой группе отнесем: 

 

H₂SO₃; H₂CO₃

H₂SiO₃; H₂SeO₃

 

Не правда ли, формулы всех этих кислот однотипны. Посмотрим дальше на вторую группу:

 

H₂SO₄

H₂SeO₄

 

Тоже, не правда ли? В чем дело? В том, что в первом случае все кислотообразующие элементы имеют ОЧ = +4, а во втором – ОЧ = +6.

Получается, что если при одинаковом ОЧ все формулы кислот идентичны, а ОЧ имеет максимум 9 значений (для р-элементов до +8, а для d – до +9), то основных типов кислот всего 9 и их несложно запомнить, а в случае необходимости написать в соответствии с правилами формального сложения.

Попробуем определить формулы кислот фосфора (ОЧ = –3, 0, +3, +5)

 

P O + H₂O = H₂P₂O₄ = 2H PO – фосфористая кислота

 

По правилам арифметики двойку вынесли за пределы формулы.

 

P O + H₂O = H₂P₂O₆ = 2H PO – фосфорная кислота

 

Стоп! Даже малосведущие в химии припоминают, что фосфорная кислота имеет какую-то более сложную формулу. В чем дело? В том, что кислотные оксиды, содержащие в своей формуле больше одного (то есть 2) атома кислотообразующего элемента, могут присоединять еще одну молекулу воды.

H PO + H₂O = H PO (по правилам формального сложения). Так как в обоих случаях ОЧ одинаковое, то это – тоже фосфорная кислота. Но у двух веществ, имеющих разные формулы и составы, не бывает одинаковых названий, и для того, чтобы их различать, назвали:

 

HPO₃  –  метафосфорной (с минимумом воды), 

а H₃PO₄ – ортофосфорной (с максимумов воды) кислотами.

Метафосфорная кислота одноосновная, а ортофосфорная – трехосновная.

 

Приведем еще несколько примеров.

Азот дает кислоты при ОЧ = +3 и +5

 

N O + H₂O = H₂N₂O₄ = 2H NO – азотистая кислота

 

N O + H₂O = H₂N₂O₆ = 2H NO – азотная кислота

 

Бор – при ОЧ = +3

 

B O + H₂O = H₂B₂O₄ = 2H BO – метаборная кислота

 

H BO + H₂O = H BO – ортоборная кислота

 

Молибден при ОЧ = +6

 

Mo O + H₂O = H MoO

 

Обратите внимание, что если ОЧ элемента четное, то количество катионов Н⁺¹ тоже четное (2), а если ОЧ нечетное – то и количество катионов нечетное, 1 в метакислотах и 3 в ортокислотах.

Если вы попрактикуетесь самостоятельно, то проблем с написанием формул у вас не будет. Тем не менее, формулы наиболее распространенных кислот надо знать на память, хотя бы для того, чтобы идентифицировать формулы других кислот с таким же ОЧ кислотообразующего элемента.

Формулы и названия наиболее распространенных кислот.

 

Формулы	Названия	ОЧ кислотообразующего элемента
H BO	(орто) борная	+3
H CO	угольная	+4
H SiO	кремниевая	+4
H NO	азотистая	+3
H NO	азотная	+5
H PO	(орто) фосфорная	+5
H S	сероводородная	-2
H SO	сернистая	+4
H SO	серная	+6
H F	плавиковая	-1
H Cl	соляная	-1
H CN	циановодородная (синильная)	-
CH3COO H	уксусная	-

 

Примечание – Если приставка орто – стоит в скобках, то это состояние для кислоты наиболее устойчиво.

Если же надо найти метаформу, то можно воспользоваться методом формального вычитания (по правилам арифметики).

H3BO3	H3PO4
–	–
H2O	H2O
HBO2 – метаборная кислота	HPO3 – метафосфорная кислота

В том случае, если кислотообразующий элемент дает более двух кислот, то их названия образуются по образу и подобию кислот хлора:

 

Cl – неметалл, B = I; III; V; VII,  ОЧ = –1; +1; +3; +5; +7.

 

Оксиды Cl O ,  Cl O ,  Cl O ,  Cl O – кислотные.

(примечание в качестве реверанса: естественно, оксидов Cl₂O₃ и Cl₂O₅ – не существует, но есть оксид ClO₂, который дает кислоты соответствующие ОЧ = +3 и +5).

 

Cl O + H₂O = 2H ClO   - хлорноватистая кислота

Cl O + H₂O = 2H ClO – хлористая кислота

Cl O + H₂O = 2H ClO – хлорноватая кислота

Cl O + H₂O = 2H ClO – хлорная кислота

 

Основания

 

С одной стороны, основания – это гидроксиды основных оксидов, с другой – это сложные вещества, состоящие из катиона и одной или нескольких гидроксильных (гидроксо-) групп OH^-1. Попробуем объединить эти понятия. Основной оксид CuO, присоединив молекулу воды, должен образовать основание.

 

Cu O + H₂O = Cu (OH)

 

Оксид меди, естественно, не растворяется в воде, но для того, чтобы найти формулу его гидроксида (основания), достаточно прибегнуть к методу формального сложения.

Полное название этого соединения – основной гидроксид меди, сокращенное – основание меди.

Как отмечалось в начале этой главы, основания бывают растворимые и нерастворимые. Растворимые основания называются  щелочами.

К щелочам относятся NH₄OH и основания S-элементов металлов, кроме Mg (OH)₂ и Be (OH)₂. Все прочие основания в воде не растворимы.

Исходя из вышеизложенного напишем формулы и дадим названия некоторым основаниям.

 

Na O + H₂O =

 

Если изобразить процесс уравнивания последовательно, то путем подчеркивания уравниваемых элементов, это будет выглядеть так:

 

                                          Na O + H₂O         Na OH

 

Сначала записываем формулы соединений в соответствии с валентностью, а затем начинаем считать и подчеркивать сосчитанные элементы. 

 

Na₂O + H₂O = NaOH

 

Итак, с левой стороны – 2 атома (иона) натрия, с правой – только 1. Чтобы их было 2, ставим перед NaOH (ни в коем случае в формулу, она записана в соответствии с валентностью) двойку. Подчеркните натрий в правой части уравнения.

 

    Na O + H₂O        2Na OH

 

Проверяем количество атомов остальных элементов – водорода и кислорода. С левой стороны в воде оба эти элемента не подчеркнуты, то есть их количество может быть любым (сколько надо, сколько будет). А в правой стороне они входят в соединение, и так как уже определено количество атомов натрия, то и определено количество атомов прочих элементов. Следовательно, подсчитываем количество атомов водорода в правой части уравнения и подчеркиваем 

Na O + H₂O       2Na OH

 

В правой части – 2 атома водорода, проверяем – в левой тоже два, подчеркиваем:

 

 Na O + H₂O            2Na OH

 

Остался неподчеркнутым только кислород, по нему и проверяем  правильность составления уравнения, подчеркиваем его крестиком (х).

 

 Na O + H₂O            2Na OH

                                                                         Х                  Х                                Х     

 

Количество атомов кислорода слева и справа совпало – по два. Следовательно, уравнение составлено верно. 

Пришла пора поговорить о названии этого соединения.

NaOH – основной гидроксид натрия, причем водорастворимый, то есть щелочь натрия, но больше прижилось тривиальное название этого соединения – NaOH – едкий натр.

В отношении оксида калия проделаем те же  манипуляции.

 

K O + H₂O          K OH

 

K O + H₂O         2K OH

 

K O + H₂O         2K OH

 

K O + H₂O         2K OH

                                                                             Х                  Х                         Х

 

KOH – основной воднорастворимый гидроксид калия, короче – щелочь калия, тривиальное название – едкое кали.

Часто студенты спрашивают, почему такие названия  – «едкий натр», но «едкое кали»? Не знаю, не я их называл, так уж сложилось. А вообще-то ко всему классу щелочей  относится определение «едкие щелочи», вероятно, вследствие их разъедающего воздействия.

Поговорим еще об одном основании оксида – Ca⁺²O^-2 – тривиальное название – негашеная известь. Чем ее можно погасить? Естественно, водой.

В соответствии с рассмотренными ранее правилами уравнивания, процесс взаимодействия CaO с водой будет описываться уравнением:

 

Ca O + H₂O = Ca (OH)

                                                                                Х                  Х                   Х 

                                       негашеная                        гашеная

                                         известь                   известь

Негашеная известь – это обычно камень, полученный обжигом CaCO₃, белый снаружи и темно-серый внутри. Когда его гасят, процесс идет с выделением тепла, камень растрескивается и образуется густая однородная смесь – известковый раствор, используемый при кладке кирпича, камня в строительных работах. При добавлении воды получается белая густая жидкость – известковое молоко, используемое  при  побелке помещений и при очистке сточных вод.

При побелке в первый момент стены становятся серыми (цвет CaO), затем Ca(OH)₂ поглощает из воздуха углекислый газ CO₂ и превращается в мел, всем известный, по равномерности распределения которого и оценивают качество побелки.

При добавлении Ca(OH)₂ к сточным водам растворы становятся щелочными и нерастворимые гидроксиды (основания) металлов выпадают в осадок.

Отфильтрованные растворы Ca(OH)₂ без взвесей и мути называются известковой водой.

Уже из этих четырех примеров видно, что если ОЧ элемента +1, то он присоединяет одну гидроксо-группу, если +2, то две, ну, а если +3, то, конечно, 3 гидроксо-группы:

 

Li OH – щелочь лития

Bа (OH) – щелочь бария

Mn (OH) – основание марганца, (т.е. это нерастворимое основание)

Fe (OH) – основание железа II

Fe (OH) – основание железа III.

 

Так как оксиды металлов проявляют основные свойства при ОЧ = +1 и +2 (исключение +3), то формулы всех основных гидроксидов (оснований)  сводится к трем типам:

 

Me OH – основание металла (I)

Me (OH) – основание металла (II)

Me (OH) – основание металла (III)

 

 

2 Обменные реакции

 

Реакции нейтрализации

 

Реакциями нейтрализации называется взаимодействие кислот с основаниями с получением солей и воды.

Соли – это сложные вещества, состоящие из катиона основания и аниона кислотного остатка, естественно, записанных в соответствии с валентностью (электровалентностью ОЧ), входящих в их состав ионов.

Кислот достаточно много, оснований – тоже. Казалось бы, что уравнений реакций нейтрализации огромное количество, это и так, и не так. Реакций действительно много, но их можно свести всего к 6 типам, и тот, кто разберется в этих «типовых» реакциях, совершенно свободно сможет уравнивать любые обменные уравнения. Обменными эти реакции, в том числе и нейтрализации, называются потому, что сводятся  к обмену ионами, входящими в исходные вещества.

Первый тип реакции,  когда входящие в состав исходных веществ ионы одновалентны, например:

 

NaOH + HCl

 

Прежде всего необходимо определить классы веществ, участвующих в реакции, и определить, из каких частей они состоят:

 

Na⁺¹OH^-1 + H⁺¹Cl^-1

                                                  щелочь      кислота

 

Естественно, Na⁺¹ будет взаимодействовать с Cl^-1: 

 

Na⁺¹OH^-1 + H⁺¹Cl^-1        Na⁺¹Cl^-1 + ….

                                           щ               к

 

Заряды совпали, значит, формула записана верно. Прочем ионы – H⁺¹ и  OH^-1 дают, как известно, воду H₂O:

 

Na⁺¹OH^-1 + H⁺¹Cl^-1 = Na⁺¹Cl^-1 + H O

                                       щ               к            соль         вода

 

NaCl – новый класс соединений и, согласно определению в начале раздела, является солью.

Записав продукты, приступаем к уравниванию всех элементов, участвующих в реакции (вспомните закон сохранения массы в интерпретации М. В. Ломоносова). Уравнивать следует, начав с вещества с наиболее сложными индексами (в данном случае, т. к. все индексы равны единице, – с соли). Подсчитываем количество ионов Na⁺¹ справа, затем слева. Количество совпало по – одному. Подчеркиваем:

 

Na⁺¹OH^-1 + H⁺¹Cl^-1 = Na⁺¹Cl^-1 + H O

                                       щ               к                с              в

 

Затем подсчитываем количество ионов Cl^-1 в соли (справа) один, в кислоте (слева) – тоже. Подчеркиваем:

 

Na⁺¹OH^-1 + H⁺¹Cl^-1 = Na⁺¹Cl^-1 + H O

                                        щ               к               с             в

 

Катионы и анионы  соли уравнены.  Пришла пора уравнивать водород. Вопрос, где надо начинать считать, слева (в исходных веществах) или справа (в продуктах). Казалось бы, какая разница? А вопрос принципиальный! Когда я спрашиваю, сколько атомов водорода справа, мне отвечают – 2. Правильно? Нет! Здесь атомов водорода столько, сколько понадобится.

Ни один из элементов воды не подчеркнут. А вот справа в NaOH подчеркнут (уравнян) натрий, а в HCl – хлор, то есть менять коэффициенты перед этими веществами нельзя, иначе нарушится баланс между ними слева и справа, следовательно, и количество ионов водорода слева определено. Отсюда начинаем подсчет атомов водорода слева и подчеркиваем:

 

Na⁺¹OH^-1 + H⁺¹Cl^-1 = Na⁺¹Cl^-1 + H O

                                       щ               к                с              в

 

Оказалось, что водорода слева и справа по два атома, следовательно, никаких коэффициентов не нужно.

Проверку правильности составленного уравнения делаем по количеству неподчеркнутых атомов (в данном случае кислорода). Подчеркиваем проверочный элемент крестиком.

 

Na⁺¹OH^-1 + H⁺¹Cl^-1 = Na⁺¹Cl^-1 + H O

                                                                  Х                                                                      Х   

                                      щ                к               с               в

 

Слева и справа по одному атому, все совпало, значит, уравнение составлено верно (слева и справа совпало количество атомов каждого элемента).

Очень часто меня спрашивают, а обязательно ли подчеркивать уравниваемые элементы?

Если у вас возникают хотя бы иногда затруднения, то да, обязательно. Если же обычно затруднение не возникает, то этот раздел вы можете благополучно пропустить, но кто знает, когда эти затруднения могут возникнуть (а я приведу такие примеры), и вы сами убедитесь в необходимости или хотя бы в желательности подчеркивания.

Рассмотрим второй случай,  когда исходные вещества содержат одно – и двухвалентные ионы:

 

Na OH + H SO

                                                     щ                 к

 

Записываем образующуюся соль

 Na OH + H SO             Na SO

                                           щ                 к                          с

 

Заряды катионов и анионов в соли не совпали, значит, формула записана неверно. Как быть в данном случае? А как обычно, находим наименьшее общее кратное (НОК) между величинами зарядов ионов, записываем в кружок между ионами и затем находим индексы количества ионов в молекуле, поделив НОК на заряд иона:

 

                                                ­

 Na OH + H SO             Na SO

                                           щ                 к                       соль

 

Продолжаем запись уравнения, добавляя воду:

 

Na OH + H SO            Na SO + H₂O

                                     щ                  к                      соль            в

 

Начинаем уравнивать с соли, имеющие наиболее сложные индексы (например, с натрия).

 

2Na OH + H SO            Na SO + H₂O

                                      щ                  к                         с              в

 

Затем уравниваем кислотный остаток SO . Хочу напомнить, что он целый, а индекс 4 относится только к кислороду (SO – S – туловище барана O₄ – четыре ноги, сколько баранов – один!).

 

2Na OH + H SO            Na SO + H₂O

                                      щ                  к                        с               в

 

Далее уравниваем водород. Так как в воде нет подчеркнутых элементов, ее количество – «сколько надо, столько будет». Поэтому считаем водород в исходных веществах (слева).

В  щелочи – 2, в кислоте – 2, всего 4, следовательно, справа, чтобы было 4, необходимо подставить коэффициент 2:

 

2Na OH + H SO            Na SO + H₂O

                                     щ                  к                        с               в

 

Проверяем правильность составления уравнения по неподчеркнутому кислороду:

 

2Na OH + H SO            Na SO + H₂O

                                                        Х                                                                                      Х

                                     щ                   к                         с               в

 

Количество атомов кислорода тоже совпало, уравнение составлено, верно. В кислотном остатке кислород считать не нужна, так как он перешел из кислоты в соль целиком.

Следующий тип реакции: валентности катиона основания и аниона кислоты равны двум. Первоначальная схема, согласно вышеприведенным примерам:

 

H SiO + Cu (OH) = Cu SiO + H₂O

 

Затем начинаем уравнивать, начиная с соли:

 

H SiO + Cu (OH) = Cu SiO + H₂O

 

Далее:

 

H SiO + Cu (OH) = Cu SiO + H₂O

 

Следующая процедура – уравниваем водород, помня, что справа его, так как ни один из атомов в молекуле воды неподчеркнут – «сколько надо, столько будет», следовательно, подсчитываем водород слева – 4 атома и уравниваем.

 

H SiO + Cu (OH) = Cu SiO + 2H₂O

 

Проверка как всегда по неподчеркнутому кислороду:

 

H SiO + Cu (OH) = Cu SiO + 2H₂O

                                                                                     Х                                                         Х

 

Надеюсь, что далее такие подробные объяснения не нужны, поэтому привожу только последовательность операций.

Одно – и трехвалентные ионы:

 

K OH + H PO = K PO + H₂O;

 

3K OH + H PO = K PO + H₂O;

 

3K OH + H PO = K PO + H₂O.

 

Помня, что справа водорода «сколько надо, столько будет»:

3K OH + H PO = K PO + 3H₂O;

 

и проверка:

 

3K OH + H PO = K PO + 3H₂O.

                                                            Х                                                                             Х

 

Случай, когда участвуют двух – и трехвалентные ионы:

 

Fe (OH) + H S = Fe S + H₂O

 

2Fe (OH) + H S = Fe S + H₂O

 

2Fe (OH) + 3H S = Fe S + H₂O

 

2Fe (OH) + 3H S = Fe S + 6H₂O

 

2Fe (OH) + 3H S = Fe S + 6H₂O

                                                               Х                                                                           Х

 

И, наконец, взаимодействие веществ, содержащих трехвалентные ионы:

 

Fe (OH) + H PO = Fe PO + H₂O

 

Fe (OH) + H PO = Fe PO + H₂O

 

Fe (OH) + H PO = Fe PO + H₂O

 

Fe (OH) + H PO = Fe PO + 3H₂O

 

Fe (OH) + H PO = Fe PO + 3H₂O

                                                           Х                                                                                Х

 

Других типов реакций нейтрализаций не бывает. Реакции с одно-одно, одно – двух, одно-трех, двух-двух, трех-трех валентными ионами – вот и весь перечень! Самое главное, при составлении уравнений не отступать ни от одного из правил, и тогда успех будет в ваших руках.

Попробуйте самостоятельно решить уравнение следующих реакций нейтрализаций и, лишь в случае затруднений, посмотреть ответы.

 

KOH + HNO₃ =

 

LiOH + H₂CO₃ =

Ni(OH)₂ + H₂S =

 

Al(OH)₃ + HF =

 

Cr(OH)₃ + H₂CO₃ =

 

Al(OH)₃ + H₃ AsO₄ =

 

Решения:

 

K OH + H NO = K NO + H₂O

                                                           Х                                                                             Х

 

2Li OH + H CO = Li CO + 2H₂O

                                                            Х                                                                               Х

 

Ni (OH) + H S = Ni S + 2H₂O

                                                               Х                                                                         Х

 

Al (OH) + 3H F = Al F + 3H₂O

                                                              Х                                                                           Х

 

2Cr (OH) + 3H CO = Cr (CO₃) + 6H₂O

                                                        Х                                                                                          Х

 

Al (OH) + H AsO = Al AsO + 3H₂O

                                                        Х                                                                                       Х

 

Чтобы закончить этот раздел, необходимо научиться давать названия образующимся солям. 

Название солей бескислородных кислот образуется, как отмечалось выше, из латинского корня кислотообразующегося элемента с окончанием ид и русского названия катиона в родительном падеже, например:

 

KF – фторид натрия

 

ZnS – сульфид цинка

 

Названия солей кислородосодержащих кислот образуются (если элемент дает не более двух кислот)  из латинского корня элемента с окончаниями.

- ит для низших кислот, (в минимальной степени окисления);

- ат для высших кислот, (в максимальной степени окисления).

и русского названия катиона в родительном падеже, например:

Cu SО – соль серной кислоты – сульфат меди;

Na SO – соль сернистой кислоты – сульфит натрия.

Хорошо, если кислотный остаток вам знаком, тогда по названию кислоты легко определить валентность кислотообразующего элемента и подобрать соответствующее окончание в названии соли. А если нет? В этом случае можно действовать следующим образом:

Na AsO , по катиону определим основность кислоты.

H AsO , затем по формуле найдем ОЧ кислотообразующего элемента – H As O . По таблице элементов определим высшая или нет эта кислота, а затем дадим название соли.

Na₃AsO₄ – арсенат натрия. Чтобы отметить, что это соль ортомышьяковой кислоты, можно добавить, что это – ортоарсенат натрия.    

Хочется отметить, что в химии все просто, все взаимосвязано, степень окисления кислотообразующего элемента, название кислоты, название соли и в обратном порядке.

Попробуем самостоятельно определить названия солей, лишь затем сверяясь с ответами:

 

Ca(NO₃)₂,  Nа₂CO₃,  CaSiO₃,  Na₂WO₄,  NaCrO₂,  K₂ZnO₂,  PbSO₄,  K₂CrO₄

 

Ca (NO₃) – соль азотной кислоты – нитрат кальция

Nа CO – соль угольной кислоты – карбонат натрия

Ca SiO – соль кремниевой кислоты – силикат кальция

Na WO – определив ОЧ вольфрама – вольфрамат натрия

Na CrO – определив ОЧ хрома – хромит натрия

K ZnO – определив ОЧ цинка – цинкат калия

Pb SO – сульфат свинца

K CrO – хромат калия

 

Как будут называться соли кислот, если кислотообразующий элемент дает более двух кислот, например, как хлор – четыре кислородсодержащие кислоты (см. выше).

 

HClO – хлорноватистая кислота (Cl⁺¹)

HClO₂ – хлористая кислота (Cl⁺³)

HClO₃ – хлорноватая кислота (Cl⁺⁵)

HClO₄ -  хлорная кислота (Cl⁺⁷)

 

В соответствии с традициями и общими правилами одна из солей должна назваться хлоратом, другая – хлоритом. Эти названия относятся к солям с ОЧ хлора +5 и +3 соответственно. А далее, чтобы подчеркнуть повышение или уменьшение ОЧ, химики прибегли к латыни.

Не пугайтесь, все это находится на уровне знакомых вам житейских понятий.

Как называется болезнь, связанная с повышением давления? Правильно, гипертония.

А с понижением? Это реже встречающаяся патология, но все-таки ее название тоже,  наверное, всем знакомо – гипотония. Поэтому название солей с минимальным ОЧ хлора (+1) будет гипохлорит металла, а с максимальным (повышенным) – перхлорат металла (приставку ги- в начале слова химики опустили).

Итак, соли кислородсодержащих кислот хлора будут иметь названия:

 

KClO – гипохлорит калия (Cl⁺¹)

KClO₂ – хлорит калия (Cl⁺³)

KClO₃ – хлорат калия (Cl⁺⁵)

KClO₄ – перхлорат калия (Cl⁺⁷)

 

Попробуйте дать названия для соответствующих солей брома.

 

KBrO

KBrO₂

KBrO₃

KBrO₄

 

В свете рассмотренных названий становится понятным название всем знакомой марганцовки (KMnO₄)  - пермаганат калия.

 

Реакции нейтрализации с участием амфотерных гидроксидов

 

Это обычная реакция нейтрализации, но с маленьким нюансом: сначала надо определить, участвует ли в реакции амфотерный гидроксид, а затем – в какой форме (кислоты или основания) рассматривать его в зависимости от среды. Я надеюсь, что мои символы под соединениями вам уже понятны, и я обхожусь без дополнительных пояснений.

Кстати, амфотерные гидроксиды чаще записываются в виде оснований:

 

Zn (OH) + H PO =

 

Zn(OH)₂ – находится в какой среде, следовательно, ведет себя как основание, а отсюда:

 

3Zn (OH) + 2H PO = Zn (PO₄) + 6H₂O

                                                         Х                                                                                         Х

                               а г (о)                 к

 

В щелочной среде Zn(OH)₂ – ведет себя как кислота, и поэтому мы должны представить его именно в таком виде:

 

Zn(OH)₂ + KOH  =

                                                      a г (к)          щ

 

Если вы обладаете достаточным пространственным воображением, то представить его в виде кислоты не составит труда – впереди два катиона водорода, затем кислотообразующий элемент (цинк), последним записывается кислород (оставшиеся два атома). Не забудьте, что кислота состоит в данном случае из двух катионов водорода и кислотного остатка с соответствующим зарядом.

Если это действие вызывает у вас затруднение, напишите формулу амфортерного гидроксида в виде кислоты под уравнением:

 

Zn (OH) + K OH =

                                                    a г (к)              щ

 

H ZnO

 

Затем прикройте пальцем формулу Zn (OH) и посмотрите, как будет взаимодействовать амфотерный гидроксид в кислотной форме со щелочью.

 

H ZnO + K OH =

                                                   a г (к)             щ 

 

Естественно, должны получиться соль и вода:

 

Zn (OH) + 2K OH = K ZnO + 2H₂O

                                                         Х                            Х                              Х                     Х

                                   a г (к)               щ                соль

 

Конечно, так как в Zn (OH) в явной форме не выражен кислотный остаток ZnO , то уравнивание следует проводить поэлементно: сначала калий, затем цинк, после этого водород, а проверку – по кислороду.

Попытаемся составить еще уравнении с участием амфотерного гидроксида:

 

2Cr (OH) + 3H SO = Cr (SO₄) + 6H₂O

                                                        Х                                                                                        Х

                                   a г (о)                к                соль

 

 

Cr (OH) + 3Na OH = Na Cr O + 3H₂O

                                                    Х                               Х                                     Х                    Х

                               а  г (к)                 щ                  соль

 

H CrO

 

Попытайтесь самостоятельно дать название всем солям, полученным в реакциях данного раздела. Надеюсь, что это не вызовет у вас особых затруднений, тем более, что большинство из них встречались ранее.

Однако последняя соль отличается от других: Na₃CrO₃ – (орто)хромит натрия. Если есть ортохромит, то можно получить и метахромит. Поробуем это сделать. 

 

Cr(OH)₃ + NaOH =

                                                  a г (к)           щ

 

H CrO – H₂O = H CrO

                                           ортоформа              метаформа

 

Посмотрим, какой продукт получится при соединении щелочи с метаформой амфотерного гидроксида:

 

Cr (OH) + Na OH = Na CrO + 2H₂O

                                                        Х                            Х                                Х                    Х

                                  a г (к)               щ           метахромит

                                                                         натрия

 

По какому же уравнению с получением орто- или метахромита пойдет реальная реакция в пробирке? Реактивы одни и те же, а разница заключается в молярном соотношении взятых веществ: в первом случае оно один к трем, во втором – один к одному, и соответственно получается один или другой продукт. Конечно, реакция никогда не идет только по одному уравнению, но в первом случае будет получаться преимущественно орто-, а во втором – метахромит. То есть процессами управляет человек, который в зависимости от необходимости должен написать уравнение реакции, определить соотношение исходных веществ, а лишь затем осуществлять процесс.

Для закрепления попробуйте сами написать уравнения реакций с участием амфотерных гидроксидов:

 

Be(OH)₂ + H₂SO₄ =

 

Be(OH)₂ + NaOH =

 

Al(OH)₃ + H₂SiO₃ =

 

Al(OH)₃ + KOH =

Основные и кислые соли

 

Соли, в состав которых не входят катионы водорода H⁺¹ и анионы гидроксильных групп OH^-1, называются средними солями. Уравнения нейтрализации с их получением мы рассматривали неоднократно, например:

 

2H PO + 3Fe (OH) = Fe (PO₄) + 6H₂O

                                                                                     Х                                                           Х

 

Естественно, уравниваем, последовательно подчеркивая соответствующие ионы. В результате образовалась средняя соль Fe (PO₄) – фосфат железа II.

Однако фосфорная кислота может диссоциировать ступенчато:

 

 H PO           H + H PO           2H + HPO           3H + PO

 

Попробуем написать уравнения с участием кислотных остатков, полученных на промежуточных стадиях диссоциации:

 

2H PO + Fe (OH) = Fe (H₂PO₄) + 2H₂O

                                                                                 Х                                                                 Х

 

Уравниваем с наиболее сложного по индексам вещества – соли Fe(H₂PO₄)₂  - кстати, формула читается так: феррум H₂PO₄ два раза, чтобы не путать с «дважды», который обычно относится к кислотному остатку без водорода.

В данной соли кислотный остаток содержит неполностью замещенный катионами металла водород и напоминает кислоту. Такие соли и называются кислыми или гидросолями (гидро- от гидрогениум).

Есть два способа называть эти соли – по русской и международной номенклатуре:

В первом случае соль называется: кислый однозамещенный фосфат железа II. Однозамещенный ясно, так как в кислоте на катион металла заместился один катион водорода.

Во втором случае это дигидрофосфат  железа II (ди – два, гидро – водород, оставшийся в соли).

Следующий вариант:

 

H PO + Fe (OH) = Fe HPO + 2H₂O

                                                                                   Х                                                          Х

 

Названия солей по русской номенклатуре: кислый двузамещенный фосфат железа II;  и по международной – гидрофосфат железа II.

Основания, как и кислоты, способны диссоциировать ступенчато, например:

 

Fe (OH)             FeOH + OH             Fe + 2OH

 

Катионы промежуточных стадий диссоциации также могут участвовать в реакции нейтрализаций:

 

H PO + 3Fe (OH) = (FeOH) PO + 3H₂O

                                                                                Х                          Х                                     Х

 

Эта соль, содержащая при катионе основания неполностью замещенные гидроксогруппы OH , похожа на основание и называется по русской номенклатуре – основной фосфат железа II, а по международной – гидроксофосфат железа II. Думаю, здесь дополнительных пояснений не требуется.

В чем разница между этими уравнениями? Ведь реагирующие вещества одни и те же, но соотношение между ними разное и в соответствии с этим  получаются разные продукты:

- при избытке кислоты (недостатке основания) – кислые соли;

- при избытке основания (недостатке кислоты) – основные соли.

Из последней фразы можно сделать вывод, что для превращения кислой соли  в среднюю необходимо к ней добавить основания, а к основной – кислоты. Посмотрим, как это можно сделать:

Способ первый: добавляются те же реактивы, которые уже участвовали в реакции: 

 

Fe (HPO₄) + Fe (OH) = …

 

Записываем среднюю соль, которую требуется получить по условию, а затем смотрим, что же осталось

 

Fe (HPO₄) + Fe (OH) = Fe (PO₄) + …

 

Здесь возникает вопрос: справа три атома железа, а слева два вещества, в каждом из которых по одному атому. С какого начать уравнивать? А уравнивать надо по PO , так как он слева и справа входит только в одно вещество.

Далее становится ясным положение с ионами железа

 

Fe (H PO₄) + 2Fe (OH) = Fe (PO₄) + …

 

Неподчеркнутыми остались атомы водорода и кислорода, которые, естественно, дают воду:

 

Fe (H PO₄) + 2Fe (OH) = Fe (PO₄) + 4H₂O

                                                                                           Х                                                           Х

Баланс проводится по кислороду.

Составление последующих уравнений будет значительно проще:

 

 Fe HPO + Fe (OH) = Fe (PO₄) + …

 

2Fe HPO + Fe (OH) = Fe (PO₄) + …

 

2Fe HPO + Fe (OH) = Fe (PO₄) + 2H₂O

                                                                                      Х                                                            Х

 

Аналогично ведут себя и основные соли при превращении в средние:

 

(FeOH) PO + H PO = Fe (PO₄) + …

 

Здесь уравнивать начинаем по железу, входящему слева и справа только в одно вещество:

 

(FeOH) PO + H PO = Fe (PO₄) + …

 

(FeOH) PO + H PO = Fe (PO₄) + 3H₂O

                                                Х                                                                                                 Х

 

Чтобы закрепить изложенный материал, попробуйте по образцу написать уравнения Fe(OH)₃ + H₂SO₄, дать название всех образующихся солей.

Далеко не всегда возможно превращение кислых и основных солей в средние с помощью веществ, участвовавших в реакции. Зачастую этими веществами бывают совершенно другие, посторонние реактивы

Как поступать в этом случае?

 

Fe (H₂PO₄) + Na OH = Fe (PO₄) + …

 

Получаем среднюю соль, затем уравниваем железо (Fe⁺²): 

 

3Fe (H₂PO₄) + Na OH = Fe (PO₄) + …

 

После этого уравниваем кислотные остатки PO , для чего оставшиеся в избытке связываем с Na (единственным оставшимся катионом)   

 

3Fe (H₂PO₄) + Na OH = Fe (PO₄) + 4Na PO + …

 

Затем уравниваем и подчеркиваем натрий:

 

3Fe (H₂PO₄) + 12Na OH = Fe (PO₄) + 4Na PO + …,