Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №18/2007
УЧЕБНИКИ. ПОСОБИЯ

 

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).

Рис. 1. Элементы-неметаллы (фрагмент таблицы Д.И.Менделеева)

Рис. 1. Элементы-неметаллы
(фрагмент таблицы Д.И.Менделеева)

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)
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 Н24.

• 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

Ангидрид Кислота Название
Нет НС1 Соляная, хлороводородная
CO2 Н2СО3 Угольная
SiO2 …………… Кремниевая
N2O3 …………… Азотистая
N2O5 …………… Азотная
SO2 …………… ……………………..
SO3 …………… ……………………..
P2O5 …………… ……………………..
CrO3 …………… Хромовая
Нет H2S Сероводородная

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
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:

3РО4 + 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