2. Серная кислота

Кислотные оксиды
1. Оксиды неметаллов
Вы уже знаете, что все вещества делят на две большие группы – органические и неорганические
вещества. В 8 классе изучается классификация неорганических веществ. Вам уже знакомы некоторые
группы неорганических веществ – оксиды, хлориды, сульфиды, кислоты и т.д.
Изучение классов неорганических веществ мы начнем с группы веществ, которую называют
кислотными оксидами. Многие простые вещества – неметаллы при взаимодействии с кислородом
образуют оксиды.
Уголь сгорает в атмосфере кислорода с образованием оксида углерода (IV):
С+О2 = СО2
Фосфор тоже горит в кислороде, при этом образуется оксид фосфора (V):
4P + 5O2 = 2P2O5
Рис. 1. Горение фосфора в кислороде
2. Образование кислот
При растворении полученных оксидов в воде образуются растворы, обладающие общими свойствами.
Эти растворы кислые на вкус. В ходе растворения оксида углерода (IV) и оксида фосфора (V) в воде
образуются кислоты. Запишем уравнения этих реакций.
При растворении в воде оксида углерода (IV) образуется угольная кислота – Н2СО3:
СO2 + H2O ↔H2CO3
Угольная кислота – нестойкое вещество, она разлагается на исходные вещества. Поэтому правильнее
вместо знака равенства поставить знак обратимости в уравнении этой реакции.
Оксид фосфора (V) хорошо растворяется в воде с образованием ортофосфорной кислоты H3PO4:
P2O5+3H2O=2H3PO4
Данные реакции являются реакциями соединения.
3. Кислотные оксиды
Теперь мы можем объяснить происхождение названия химического элемента кислорода. «кислород» «рождающий кислоты»: при взаимодействии некоторых неметаллов с кислородом образуются оксиды,
растворение которых в воде позволяет получить кислоты.
Оксиды, которым соответствуют кислоты, называют кислотными оксидами.
Например, оксид углерода (IV) и оксид фосфора (V) – кислотные оксиды.
Но не все оксиды неметаллов являются кислотными. Есть оксиды неметаллов, которым не
соответствуют кислоты. Среди них, оксид углерода (II) или угарный газ - СО, оксиды азота (I) и (II) –
N2O, NO. Этим оксидам кислоты не соответствуют.
Есть еще один интересный факт – не все кислотные оксиды взаимодействуют с водой. Например,
оксид кремния (IV) не растворяется в воде. Это вещество составляет основу кварца и белого речного
песка. Но оксид кремния является кислотным оксидом, т.к. ему соответствует кремниевая кислота
H2SiO3. Это стало известно благодаря тому, что кремниевая кислота разлагается на оксид кремния и
воду:
H2SiO3 = SiO2 + H2O
К классу кислотных оксидов относятся не только оксиды неметаллов. Кислотные оксиды могут
образовать и некоторые металлы с валентностью более III.
Например оксид хрома (VI) является кислотным оксидом, т.к. ем соответствует хромовая кислота
H2CrO4. Эту кислоту можно получить при взаимодействии оксида хрома (VI) с водой:
CrO3+H2O=H2CrO4
[00:04:35/Составление формул кислот, соответствующих оксидам]
Не надо заучивать какая кислота какому оксиду соответствует. Чтобы составить формулу кислоты,
соответствующей оксиду, надо запомнить несколько правил. Во-первых, валентность химического
элемента в оксиде и соответствующей ему кислоте должна быть одинакова.
Валентности элементов в оксиде вы уже умеете определять. Например, в оксиде азота N2O5 валентность
азота равна V. Валентности элементов в кислоте, состоящей из трех химических элементов, определить
также несложно. Определим валентности элементов в азотной кислоте HNO3.Валентность водорода в
кислотах равна I, валентность кислорода равна II. Чтобы найти валентность азота, нужно из общего
числа валентностей кислорода вычесть общее число валентностей водорода, т.е. из 6 вычесть 1.
Рис. 2. Валентность азота в N2O5 и HNO3 одинакова и равна V
Формулу кислоты, соответствующей оксиду можно составить, используя реакцию соединения
кислотного оксида с водой. Если суммировать атомы одной молекулы оксида и одной молекулы воды,
то в большинстве случаев получится формула искомой кислоты.
Рассмотрим два примера. Составим формулы кислот, соответствующих оксиду углерода (IV) и оксиду
азота (III). Просуммируем атомы одной молекулы углекислого газа и одной молекулы воды.
Получилась формула угольной кислоты H2CO3.
То же проделаем с одной молекулой N2O3 и одной молекулой Н2О. Получили Н2N2O4. В получившейся
формуле можно сократить индексы на 2. Получим HNO2 – азотистую кислоту (Рис. 3).
Рис. 3. Составление формул кислот, соответствующих оксидам
Этим правилом нельзя воспользоваться для составления формулы ортофосфорной кислоты. Чтобы ее
получить к молекуле оксида фосфора (V) надо прибавить 3 молекулы воды.
Общие свойства кислот:
взаимодействие с индикаторами и
металлами
1. Изменение окраски индикаторов
Одним из общих свойств кислот является их кислый вкус. Рассмотрим другие общие свойства кислот.
Известно, что при добавлении в крепкий чай лимона цвет чая становится светлее. Так воздействует на
чай лимонная кислота. Кислоты способны изменять окраску некоторых красящих веществ. С помощью
этого свойства можно отличить кислоты от других веществ.
Вещества, изменяющие свой цвет под действием других веществ, называют индикаторами. Химики
для идентификации кислот обычно используют следующие индикаторы: лакмус (в нейтральной среде –
фиолетовый), метилоранж (в нейтральной среде – оранжевый).
При добавлении к раствору соляной кислоты лакмус становится красным. Метилоранж в кислоте также
краснеет.
Способность изменять окраску индикаторов является общим свойством кислот.
2. Взаимодействие кислот с металлами
Некоторые металлы вытесняют водород из кислот. Такие реакции относятся к реакциям замещения.
ОПЫТ. Поместим в пробирки гранулы цинка, железную скрепку и кусок медной проволоки.
Рис. 1. Взаимодействие металлов с соляной кислотой
Прильем в каждую пробирку соляную кислоту. В пробирках с цинком и железной скрепкой мы
наблюдаем выделение пузырьков газа – водорода. С медью в растворе соляной кислоты ничего не
происходит. Медь с соляной кислотой не взаимодействует.
Уравнения проведенных реакций:
Zn +2HCl=ZnCl2+ H2
Fe+2HCl=FeCl2+H2
Хлориды цинка и железа относятся к классу солей. Соли – сложные вещества, состоящие из атомов
металла и кислотного остатка. Кислотным остатком называют группу атомов, оставшуюся от кислоты
после замещения атомов водорода атомами металла.
3. Ряд активности металлов
Итак, не все металлы реагируют с кислотами. Проведя аналогичные опыты, мы увидим, что
некоторые металлы активно взаимодействуют с кислотами, другие вступают в реакцию с трудом или
вообще не реагируют с кислотами. По результатам подобных опытов был составлен ряд активности
металлов, в котором металлы расположены в порядке уменьшения их химической активности слева
направо. В этом ряду металлы, стоящие правее водорода, не замещают водород в кислотах. К ним
относятся медь, ртуть, серебро, золото, платина.
Рис. 2. Ряд активности металлов (желтым цветом отмечены металлы, способные замещать водород в
кислотах)
Химические свойства кислот:
взаимодействие с оксидами металлов.
Соли
1. Кислотные остатки
Кислоты – это сложные вещества, в состав которых входят атомы водорода, способные замещаться на
атомы металла. Группу атомов, оставшуюся от кислоты после замещения атомов водорода металлом,
называют кислотным остатком. Подчеркнем кислотные остатки и определим их валентности в
формулах кислот:
Валентность кислотного остатка равна числу атомов водорода в молекуле кислоты.
2. Реакции оксидов металлов с кислотами
Чтобы познакомиться еще с одним свойством кислот, рассмотрим результаты следующего опыта.
Поместим в пробирку немного черного порошка оксида меди (II) и прильем к нему серную кислоту.
Нагреем пробирку в пламени спиртовки. Через некоторое время мы увидим, что раствор приобрел
голубоватую окраску, а черный порошок растворился.
Уравнение проведенной реакции: CuO + H2SO4=CuSO4 + H2O В ходе данной реакции атомы водорода из
кислоты соединяются с атомами кислорода из оксида, образуя воду. Атомы меди с кислотным
остатком SO4 образуют соединение, относящееся к классу солей – CuSO4, сульфат меди (II).
Соли – это сложные вещества, состоящие из атомов металла и кислотного остатка. Значит, в реакции
кислоты с оксидом металла образуется соль и вода. Запишем уравнения еще нескольких реакций,
демонстрирующих способность кислот взаимодействовать с оксидами металлов.
При взаимодействии оксида кальция с соляной кислотой образуется соль – хлорид кальция и вода.
Чтобы составить правильно формулу соли, необходимо знать валентности кальция и кислотного
остатка -Cl. Кальций имеет постоянное значение валентности, равное II, валентность кислотного
остатка определяем по формуле кислоты. В молекуле соляной кислоты один атом водорода, значит,
валентность ее кислотного остатка равна I. Итак, формула соли хлорида кальция – СаCl2.
Уравнение реакции оксида кальция с соляной кислотой: CaO + 2HCl= CaCl2 + H2O.
Уравнение реакции оксида магния с азотной кислотой: MgO + 2HNO3 = Mg(NO3)2 + H2O. Название соли
Mg(NO3)2 – нитрат магния.
Реакция между оксидом меди (||) и
серной кислотой
Нагревание оксида меди(II) в растворе серной кислоты
Химическая реакция – это процесс, при котором из одних веществ получаются
другие, отличающиеся от исходных веществ по составу или строению, по
свойствам.
Нагревание оксида меди (II) в растворе серной кислоты
Одним из общих свойств кислот является взаимодействие с оксидами металлов. В результате таких
реакций образуется соль и вода.
Солью называют вещество, состоящее из атомов металла и кислотного остатка.
Примером взаимодействия оксида металла с кислотой является реакция между оксидом меди (II) и
раствором серной кислоты. Для начала данного взаимодействия необходимо нагревание веществ.
При проведении опыта нужно помнить не только о правилах обращения с кислотами, но и соблюдать
правила техники безопасности при нагревании веществ в пробирке.
Проведение опыта
Черный порошок оксида двухвалентной меди CuO и помещают в пробирку. Добавляют немного
разбавленной серной кислоты. Для начала реакции одного соприкосновения веществ недостаточно,
нужно нагревание. Слегка нагревают пробирку с веществами, не доводя раствор до кипения. В
результате реакции наблюдается постепенное исчезновение черного порошка оксида меди и
образование раствора голубого цвета. Рис. 1.
Рис. 1. Образование раствора медного купороса
Уравнение данной реакции:
CuO + H2SO4= CuSO4 + H2O
Эта реакция относится к реакциям обмена, т. к. из двух сложных веществ в результате обмена
составными частями образуются два новых сложных вещества.
Реакция обмена – это реакция между двумя сложными веществами, в результате
которой они обмениваются своими составными частями и образуются два новых
сложных вещества.
Раствор сульфата меди (II) окрашен в голубой цвет. Кристаллогидрат сульфата меди CuSO4
имеет исторически сложившееся название – медный купорос.
H2O
Растворимые соединения меди, в том числе и медный купорос, ядовиты. Но в микроскопических
количествах медь как химический элемент необходима для нормального развития растений и
животных, так как она стимулирует внутриклеточные химические процессы.
Изучение кристаллов медного купороса
Как уже было сказано, полученный в ходе реакции сульфат меди (II) относится к классу солей. Все
соли являются твердыми кристаллическими веществами. Как доказать, что в результате реакции
получился раствор соли?
Для этого можно воспользоваться двумя способами.
Во-первых, можно поместить на предметное стекло несколько капель полученного раствора и нагреть
его. После испарения воды на стекле останутся кристаллы соли.
Во-вторых, можно использовать увеличительный прибор – микроскоп. Если каплю полученного
раствора поместить на предметное стекло и рассмотреть ее под микроскопом, то можно увидеть
кристаллы медного купороса. Рис. 2.
Рис. 2. Кристаллы медного купороса под микроскопом
Применение медного купороса
Сульфат меди (II) – наиболее важная соль меди, которая часто служит исходным сырьём для получения
других соединений.
1. Безводный сульфат меди белого цвета, его можно использовать как индикатор влажности, с его
помощью в лаборатории проводят осушку спирта этанола и некоторых других веществ.
2. Наибольшее количество непосредственно применяемого CuSO4 расходуется на борьбу с вредителями
в сельском хозяйстве, в составе бордосской смеси с известковым молоком – от грибковых заболеваний
и виноградной тли.
3. Медный купорос также используется как микроудобрение для восполнения дефицита меди в почве.
Рекомендован для применения на торфяниках.
4. В строительстве водный раствор сульфата меди (II) применяется для нейтрализации последствий
протечек, ликвидации пятен ржавчины, а также для удаления выделений солей («высолов») с
кирпичных, бетонных и оштукатуренных поверхностей; а также как средство для предотвращения
гниения древесины.
5. Также он применяется для изготовления минеральных красок.
6. В пищевой промышленности сульфат меди (II) зарегистрирован в качестве пищевой добавки с кодом
E519 (в качестве консерванта).
Подведение итога урока
На уроке было рассмотрено практическое занятие по изучению особенностей протекания реакции
между оксидом меди (II) и серной кислотой. Полученное в результате данной реакции вещество имеет
широкую область применения.
Классификация кислот. Особые
свойства некоторых кислот
1. Классификация кислот
Свойства веществ определяются их составом и строением. Общие свойства кислот объясняются
наличием во всех кислотах «подвижных» атомов водорода. Чем же тогда объяснить то, что одни
кислоты очень едкие (например, соляная и серная), другие используют в пищевой промышленности
(например, фосфорную кислоту)?
Разные свойства кислот объясняются различием строения их молекул. Молекулы разных кислот
отличаются кислотными остатками.
По составу кислоты разделяют на кислородсодержащие и бескислородные.
Рис. 1. Классификация кислот
Кислородсодержащие кислоты относят к группе веществ, называемых гидроксидами. Гидроксиды –
это сложные вещества, состоящие из трех химических элементов, два из которых кислород и водород.
Не все кислоты относятся к гидроксидам!
Рассмотрим особые свойства некоторых кислот, которые обусловлены составом их кислотных
остатков.
2. Серная кислота
Историческое название вещества с химической формулой H2SO4 – купоросное масло. Дело в том, что
серная кислота – это тяжелая маслянистая жидкость (с плотностью большей, чем у воды). Она не имеет
запаха и цвета, хорошо растворяется в воде.
При растворении серной кислоты в воде выделяется настолько большое количество теплоты, что даже
вода может закипеть. Поэтому при разбавлении кислоты нужно строго соблюдать правило: кислоту
приливать к воде, а не наоборот. Иначе произойдет разбрызгивание кипящей воды вместе с каплями
кислоты.
Концентрированная серная кислота имеет ряд особых химических свойств. Она по-особому, в отличие
от разбавленной, реагирует с металлами. Во-первых, в таких реакциях выделяется не водород, а оксид
серы(IV). А во-вторых, концентрированная серная кислота может реагировать даже со многими
металлами, стоящими в ряду напряжений правее водорода.
Концентрированная серная кислота – очень гигроскопичное вещество, она используется для осушки
многих газов и жидкостей. К особым свойствам концентрированной серной кислоты относится и
способность обугливать органические вещества, например древесину и сахар. Обращаться с серной
кислотой нужно с особой осторожностью!
Рис. 2. Обугливание органических веществ концентрированной серной кислотой
3. Соляная кислота
Хлороводородная (соляная) кислота представляет собой раствор газа (хлороводорода) в воде. Эта
кислота очень едкая, имеет резкий запах. 0,1%-ный раствор соляной кислоты содержится в
желудочном соке животных и человека.
Концентрированный раствор соляной кислоты «дымит» на воздухе.
Рис. 3. «Дымящая» соляная кислота
В отличие от серной, соляная кислота не обугливает, а разрушает органические вещества. Образцы
ткани, сахара, древесины и бумаги не обугливаются под действием хлороводородной кислоты, но, тем
не менее, она их разрушает.
4. Азотная кислота
Азотная кислота HNO3 в зависимости от концентрации обладает сильно различающимися даже
физическими свойствами. Концентрированная азотная кислота имеет резкий запах и желто-бурый цвет.
Разбавленная же кислота не имеет цвета и запаха. Азотная кислота - очень едкое вещество. На руках
оставляет желтые пятна.
При взаимодействии азотной кислоты любой концентрации с металлами водород практически не
выделяется, а образуются другие вещества, в том числе различные оксиды азота. С азотной кислотой
реагируют многие металлы, стоящие в заместительном ряду правее водорода.
5. Ортофосфорная кислота
Ортофосфорная кислота Н3РО4 (чаще ее называют просто фосфорной кислотой) – белое твердое
вещество, хорошо растворимое в воде. Не имеет запаха. Интересно, что эта кислота не едкая, поэтому
слабый ее раствор используется в пищевой промышленности.
6. Сероводородная кислота
Сероводородная кислота образуется при растворении в воде газа сероводорода H2S. Этот газ имеет
неприятный запах – запах тухлых яиц. Особенностью данной кислоты является то, что она не очень
едкая и очень ядовитая.
Вдыхание воздуха с небольшим содержанием сероводорода вызывает головокружение, головную боль,
тошноту, а со значительной концентрацией приводит к коме, судорогам, отёку лёгких и даже к
летальному исходу. При высокой концентрации однократное вдыхание может вызвать мгновенную
смерть.
Основные оксиды
1. Реакции основных оксидов с кислотами
Вы уже изучили состав и свойства кислотных оксидов. Кислотные оксиды, как правило, образованы
неметаллом или металлов с валентностью более III. Кислотным оксидам соответствуют кислоты. Для
всех кислотных оксидов характерно одно общее свойство – они не взаимодействуют с кислотами. Но
кислоты взаимодействуют с некоторыми оксидами металлов, которые не являются кислотными.
Приведем примеры таких реакций.
Оксид меди (II) взаимодействует с соляной кислотой с образованием хлорида меди (II) и воды: CuO +
2HCl = CuCl2 + H2O.
При взаимодействии оксида калия с азотной кислотой образуется нитрат калия KNO3 и вода: K2O +
2HNO3 = 2KNO3 + H2O.
Нитрат калия и хлорид меди (II) относятся к классу солей.
Оксиды, способные взаимодействовать с кислотами, называют основными оксидами.
2. Реакции основных оксидов с водой
Могут ли основные оксиды реагировать с водой? Чтобы ответить на этот вопрос, изучим результаты
опыта.
Опыт. Если смешать с водой оксид кальция и оксид меди (II), то через некоторое время мы увидим, что
оксид кальция в воде растворился, оксид меди – нет. Опущенные в оба стакана бумажные полоски
универсального индикатора помогут определить кислотность среды в растворах. Индикатор изменит
цвет в стакане, где растворился оксид кальция. В растворах кислот универсальный индикатор краснеет,
в этом же растворе он будет синим.
Рис. 1. Исследование кислотности среды в смесях оксида кальция (слева) и оксида меди(II) (справа) с
водой с помощью универсального индикатора
После добавления в оба стакана раствора индикатора фенолфталеина можно наблюдать появление
малиновой окраски в раствор оксида кальция в воде. Фенолфталеин становится малиновым в щелочной
среде (Рис. 2).
Рис. 2. Исследование кислотности среды в смесях оксида кальция (слева) и оксида меди(II) (справа) с
водой с помощью фенолфталеина
Если добавить в раствор, полученный из оксида кальция и воды, метилоранж, то цвет метилоранжа
станет желтым. Значит, при растворении в воде оксида кальция образовалось вещество,
противоположное по свойствам кислотам. Полученное вещество называется гидроксидом кальция.
Уравнение данной реакции: СаО + Н2О =Са(ОН)2.
При взаимодействии оксида кальция с водой образуется гидроксид кальция Са(ОН)2. Реакция
относится к типу соединения.
Некоторые основные оксиды могут взаимодействовать с водой с образованием гидроксидов, если
образующийся гидроксид будет растворимым в воде веществом.
3. Взаимодействие основных оксидов с кислотными
Для большинства основных оксидов характерно еще одно общее свойство – они вступают в реакции с
кислотными оксидами. Например, оксид кальция взаимодействует с оксидом углерода (IV), или
углекислым газом. Запишем уравнение данной реакции, зная, что она относится к типу соединения, а
мольное соотношение веществ – 1:1:
СаО + СО2= СаСО3
Название вещества СаСО3 – карбонат кальция. Карбонат кальция составляет основу известняка,
мрамора и мела.
В состав основных оксидов, кроме кислорода, входит химический элемент-металл, атомы которого
имеют валентность I, II, реже III.
Основания
1. Состав оснований
При взаимодействии некоторых основных оксидов с водой образуются гидроксиды металлов. Эти
гидроксиды относятся к классу оснований.
Например: оксид кальция взаимодействует с водой с образованием гидроксида кальция Са(ОН)2, оксид
бария взаимодействует с водой с образованием гидроксида бария Ва(ОН)2:
СаО + Н2О = Са(ОН)2
ВаО + Н2О = Ва(ОН)2
Гидроксиды кальция и бария относятся к классу оснований.
Основания – сложные вещества, образованные атомами металла и гидроксильными группами ОН.
Валентность гидроксильной группы равна I.
NaOH – гидроксид натрия
KOH – гидроксид калия
Cu(OH)2 - гидроксид меди (II)
2. Классификация оснований
Все основания делят на две группы – растворимые в воде (они называются щелочами) и
нерастворимые в воде.
Чтобы привести примеры щелочей и нерастворимых оснований, нужно воспользоваться таблицей
растворимости некоторых веществ воде. К щелочам относятся, например, гидроксиды натрия, калия,
кальция. Оксид меди (II) и гидроксид железа (III) являются нерастворимыми основаниями.
3. Химические свойства щелочей и нерастворимых оснований
Свойства щелочей отличаются от свойств оснований, нерастворимых в воде. Рассмотрим в сравнении
свойства щелочей и нерастворимых оснований (Таблица 1).
Щелочи изменяют окраску индикаторов. Например, лакмус в щелочной среде становится синим, а
метилоранж – желтым. Нерастворимые в воде основания окраски индикаторов практически не меняют.
Все щелочи взаимодействуют с кислотными оксидами, при этом образуются соль и вода. При
взаимодействии гидроксида бария с оксидом серы (VI) образуется сульфат бария ВаSO4 и вода.
Нерастворимые в воде основания с кислотными оксидами не взаимодействуют.
Нерастворимые в воде основания легко разлагаются при нагревании. В результате этих реакций
образуются оксиды металлов и вода. Щелочи разлагаются с трудом, только при высокой температуре.
Исключение составляет гидроксид кальция, он разлагается при нагревании на оксид кальция и воду.
Химические свойства
растворимых в воде оснований (щелочей)
1. Изменяют окраску индикаторов.
нерастворимых в воде оснований
1. Не изменяют окраски индикаторов.
2. Взаимодействуют с кислотными оксидами:
2. Не взаимодействуют с кислотными
оксидами
2KOH + CO2 = K2CO3 + H2O
Ba(OH)2 + SO3 = BaSO4 + H2O
3. Легко разлагаются при нагревании
3. Разлагаются только при высоких
температурах.
Сu(OH)2 = CuO + H2O
Исключение: Са(ОН)2 = СаО + Н2О
2Fe(OH)3 = Fe2O3 + 3H2O
Таблица 1. Химические свойства оснований
4. Особенности строения кислот и оснований
Почему же кислородсодержащие кислоты и основания, являясь гидроксидами, существенно
отличаются по своим свойствам? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо написать структурные
формулы этих веществ.
Рис. 1. Структурные формулы серной кислоты и гидроксида натрия
И в кислородсодержащих кислотах, и в основаниях содержатся гидроксильные группы. Но в молекулах
кислот подвижный фрагмент не гидроксильная группа, а атомы водорода. Именно они в химических
реакциях замещаются на атомы металла. В основаниях атомы водорода от гидроксильной группы не
отделяются.
Реакция нейтрализации
1. Реакция нейтрализации
Если смешать одинаковые количества соляной кислоты и гидроксида натрия, то образуется раствор, в
котором среда будет нейтральной, т.е. в нем не будет присутствовать ни кислота, ни щелочь. Запишем
уравнение реакции между соляной кислотой и гидроксидом натрия, если в результате образуются
хлорид натрия и вода.
При взаимодействии 1 моль хлороводорода (HCl) и 1 моль гидроксида натрия (NaOH) образуется 1
моль хлорида натрия (NaCl) и 1 моль воды (Н2О). Обратите внимание, в процессе данной реакции два
сложных вещества обмениваются своими составными частями и образуются два новых сложных
вещества:
NaOH+HCl=NaCl+H2O
Реакции, в ходе которых два сложных вещества обмениваются своими составными частями,
называют реакциями обмена.
Частный случай реакции обмена – реакция нейтрализации.
Реакция нейтрализации - это взаимодействие кислоты с основанием.
Схема реакции нейтрализации: ОСНОВАНИЕ + КИСЛОТА = СОЛЬ + ВОДА
Нерастворимые в воде основания тоже могут растворяться в растворах кислот. В результате этих
реакций образуются соли и вода. Уравнение реакции взаимодействия гидроксида меди (II) с серной
кислотой:
Cu(OH)2+H2SO4= CuSO4+ 2H2O
Вещество с химической формулой CuSO4 относится к классу солей. Формулу этой соли мы составили,
зная, что валентность меди в данном процессе равна II, и валентность SO4 тоже равна II. А вот как
назвать это вещество?
2. Составление формул и названий солей
Название соли состоит из двух слов: первое слово – название кислотного остатка (эти названия
приведены в таблице в учебнике, их надо выучить), а второе слово – название металла. Если
валентность металла переменная, то она указывается в скобках.
Итак, вещество с химической формулой CuSO4 называется сульфат меди(II).
NaNO3 – нитрат натрия;
K3PO4 – фосфат (ортофосфат) калия.
А теперь, выполним обратное задание: составим формулу соли по ее названию. Составим формулы
следующих солей: сульфата натрия; карбоната магния; нитрата кальция.
Чтобы правильно составить формулу соли, сначала запишем символ металла и формулу кислотного
остатка, сверху укажем их валентности. Найдем НОК значений валентностей. Разделив НОК на каждое
из значений валентности, найдем число атомов металла и число кислотных остатков.
Обратите внимание, что если кислотный остаток состоит из группы атомов, то при написании формулы
соли формула кислотного остатка записывается в скобках, а число кислотных остатков обозначается за
скобкой соответствующим индексом.
Химические свойства солей
1. Взаимодействие солей с металлами
Соли – сложные вещества, состоящие из атомов металла и кислотных остатков.
Поэтому свойства солей будут связаны с наличием в составе вещества того или иного металла или
кислотного остатка. Например, большинство солей меди в растворе имеют голубоватую окраску. Соли
марганцовой кислоты (перманганаты) в основном фиолетовые. Знакомство с химическими свойствами
солей начнем со следующего опыта.
В первый стакан с раствором сульфата меди (II) опустим железный гвоздь. Во второй стакан с
раствором сульфата железа (II) опустим медную пластинку. В третий стакан с раствором нитрата
серебра тоже опустим медную пластинку. Через некоторое время мы увидим, что железный гвоздь
покрылся слоем меди, медная пластинка из третьего стакана покрылась слоем серебра, а с медной
пластинкой из второго стакана ничего не произошло.
Рис. 1. Взаимодействие растворов солей с металлами
Объясним результаты опыта. Реакции произошли только в том случае, если металл, реагирующий с
солью, был более активен, чем металл, входящий в состав соли. Сравнить активность металлов между
собой можно по их положению в ряду активности. Чем левее расположен металл в этом ряду, тем у
него большая способность вытеснить другой металл из раствора соли.
Уравнения проведенных реакций:
Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu
При взаимодействии железа с раствором сульфата меди (II) образуется чистая медь и сульфат железа
(II). Эта реакция возможна, т.к. железо имеет большую реакционную способность, чем медь.
Cu + FeSO4 → реакция не идет
Реакция между медью и раствором сульфата железа (II) не протекает, т.к. медь не может заместить
железо из раствора соли.
Cu+2AgNO3=2Ag+Cu(NO3)2
При взаимодействии меди с раствором нитрата серебра образуется серебро и нитрат меди (II). Медь
замещает серебро из раствора его соли, т.к. медь расположена в ряду активности левее серебра.
Растворы солей могут взаимодействовать с более активными металлами, чем металл в составе
соли. Эти реакции относятся к типу замещения.
2. Взаимодействие растворов солей друг с другом
Рассмотрим еще одно свойство солей. Растворенные в воде соли могут взаимодействовать между
собой. Проведем опыт.
Смешаем растворы хлорида бария и сульфата натрия. В результате выпадет белый осадок сульфата
бария. Очевидно, что прошла реакция.
Уравнение реакции: BaCl2 + Na2SO4 = BaSO4 + 2NaCl
Растворенные в воде соли могут вступать в реакцию обмена, если в результате образуется
нерастворимая в воде соль.
3. Взаимодействие солей со щелочами
Выясним, взаимодействуют ли соли с щелочами, проведя следующий опыт.
В раствор сульфата меди (II) прильем раствор гидроксида натрия. В результате выпадает синий осадок.
Рис. 2. Взаимодействие раствора сульфата меди(II) со щелочью
Уравнение проведенной реакции: CuSO4 + 2NaOH = Cu(OH)2 + Na2SO4
Данная реакция является реакцией обмена.
Соли могут взаимодействовать со щелочами, если в результате реакции образуется нерастворимое в
воде вещество.
4. Взаимодействие солей с кислотами
В раствор карбоната натрия прильем раствор соляной кислоты. В результате мы видим выделение
пузырьков газа. Объясним результаты опыта, записав уравнение данной реакции:
Na2CO3 + 2HCl= 2NaCl + H2CO3
H2CO3 = H2O + CO2↑
Угольная кислота - вещество нестойкое. Она разлагается на углекислый газ и воду. Данная реакция
является реакцией обмена.
Соли могут вступать в реакцию обмена с кислотами, если в результате реакции выделяется газ или
образуется осадок.
Растворы
1. Признаки раствора
При смешивании на стройке песка с цементом и водой строители получают так называемый
«цементный раствор». Раствор ли это с химической точки зрения?
Признаки раствора:
1) раствор содержит два или более компонентов,
2) раствор – однородная система, в которой нет границы раздела веществ.
Раствор может образоваться не только при смешивании жидкого и твердого вещества. Некоторые
жидкости тоже могут образовать раствор. Например, ацетон и вода – две растворимые друг в друге
жидкости, при их перемешивании не видна граница раздела.
А вот бензин и вода раствора не образуют, т.к. нерастворимы друг в друге. Некоторые твердые
вещества тоже могут образовывать растворы. Например, сплавы металлов – это однородные смеси, их
можно назвать твердыми растворами.
Рис. 1. Сплавы металлов – твердые растворы
Газообразные вещества также могут растворяться в жидкостях. Например, вы знаете, что рыбы дышат
кислородом, растворенным в воде. Границы раздела между водой и содержащимся в ней кислородом
нет. Газы смешиваются между собой всегда. Но однородные смеси газов не принято называть
растворами.
Раствор - это однородная смесь, состоящая из двух или более веществ, между которыми нет
границы раздела.
Растворы могут образовать:
- жидкость и твердое вещество;
- две жидкости;
- жидкость и газ;
- два твердых вещества.
Цемент и песок не растворяются друг в друге и воде, а значит, между ними существуют границы
разделы. Т.е. строители называют эту смесь раствором условно.
Рис. 2. Строительный «раствор»
2. Растворимость вещества
Разные вещества обладают различной способностью к растворению. Представим себе, что в стакан с
холодной водой мы будем добавлять порции сахара до тех пор, пока сахар не перестанет растворяться.
В этом случае образуется насыщенный раствор.
Раствор, в котором вводимое вещество больше не растворяется, называют насыщенным.
Если мы нагреем полученный насыщенный раствор с нерастворившимся сахаром, то сахар опять
полностью растворится. Способность вещества к растворению называют растворимостью.
Растворимость измеряется массой вещества, образующего насыщенный раствор, в 100 г растворителя
при данной температуре.
Растворимость твердых веществ при повышении температуры, как правило, увеличивается.
Растворимость же газов с повышением температуры уменьшается. Если открыть бутылку с
газированной водой, то мы будем наблюдать интенсивное выделение пузырьков газа, а иногда и
вспенивание.
Растворимость газов зависит и от давления. С увеличением давления растворимость газов
увеличивается.
Массовая доля вещества в растворе
1. Массовая доля вещества в растворе
Масса раствора складывается из масс растворителя и растворенного вещества:
m(р)=m(в)+m(р-ля)
Массовая доля вещества в растворе равна отношению массы растворенного вещества к массе всего
раствора:
Решим несколько задач с использованием приведенных формул.
2. Задача 1
Вычислите массовую долю (в %) сахарозы в растворе, содержащем воду массой 250 г и сахарозу
массой 50 г.
Массовую долю сахарозы в растворе можно вычислить по известной
формуле:
Подставляем числовые значения и находим массовую долю сахарозы в растворе. Получили в ответе
16,7%.
Преобразуя формулу для вычисления массовой доли вещества в растворе, вы можете находить
значения массы растворенного вещества по известной массе раствора и массовой доли вещества в
растворе; или массу растворителя по массе растворенного вещества и массовой доли вещества в
растворе.
Рассмотрим решение задачи, в которой изменяется массовая доля растворенного вещества при
разбавлении раствора.
3. Задача 2
К 120 г раствора с массовой долей соли 7% прилили 30 г воды. Определите массовую долю соли в
образовавшемся растворе.
Проанализируем условие задачи. В процессе разбавления раствора масса растворенного вещества не
меняется, а увеличивается масса растворителя, а значит, увеличивается масса раствора и, наоборот,
уменьшается массовая доля вещества в растворе.
Во-первых, определим массу растворенного вещества, зная массу начального раствора и массовую
долю соли в этом растворе. Масса растворенного вещества равна произведению массы раствора и
массовой доли вещества в растворе.
Мы уже выяснили, что масса растворенного вещества при разбавлении раствора не изменяется. Значит,
вычислив массу полученного раствора, можно найти массовую долю соли в образовавшемся растворе.
Масса полученного раствора равна сумме масс исходного раствора и добавленной воды. Массовая доля
соли в образовавшемся растворе равна отношению массы растворенного вещества и массы
образовавшегося раствора. Таким образом, получили массовую долю соли в образовавшемся растворе
равную 5,6%.
Классификация неорганических
веществ. Сложные вопросы
1. Классификация солей
В зависимости от состава и химических свойств неорганические вещества делят на классы (Рис. 1).
Классификация веществ значительно облегчает процесс их изучения. Зная свойства класса, можно
предсказать свойства каждого представителя данного класса.
Рис. 1. Классификация неорганических веществ
В зависимости от состава соли делят на несколько групп: средние, кислые и основные (есть и другие
группы солей, которые изучают в старших классах).
Средние соли – сложные вещества, состоящие из металла и кислотного остатка. Например, сульфат
кальция CaSO4, хлорид алюминия AlCl3, нитрат меди(II) Cu(NO3)2.
В составе кислых солей присутствуют атомы водорода, как и в составе кислот. Атом водорода,
входящий в состав кислых солей, обозначается приставкой «гидро-» в названии соли. Например,
NaHCO3 – гидрокарбонат натрия (кстати, это вещество еще называют питьевой содой).
В состав основных солей входят гидроксильные группы. Например, Cu(OH)Cl – основная соль. К
названиям основных солей прибавляется приставка «гидрокси-». Cu(OH)Cl – гидроксихлорид меди(II).
Любую соль можно рассматривать как продукт взаимодействия между кислотой и основанием. Если
все атомы водорода соответствующей кислоты заместятся на атомы металлов из основания, то
получится средняя соль. Например:
H2SO4 + 2NaOH = Na2SO4 + 2H2O
сульфат натрия
Если кислота будет взята в избытке и не все атомы водорода в ней заместятся на атомы металла, то
образуется кислая соль:
H2SO4 + NaOH = NaНSO4 + H2O
гидросульфат натрия
Основные соли образуются при неполном замещении гидроксогрупп оснований на кислотные остатки.
Например:
Mg(OH)2 + HCl = Mg(OH)Cl + H2O
гидроксихлорид магния
2. Виды оксидов
Существуют оксиды, которым не соответствуют ни основания, ни кислоты. Они не образуют солей при
взаимодействии с кислотами и щелочами, поэтому такие оксиды называют несолеобразующими или
безразличными. Примеры несолеобразующих оксидов: СО, N2O, NO, H2O.
Большинство оксидов относится к группе солеобразующих. Их делят, как правило, на кислотные и
основные. Основные оксиды содержат атомы металлов в валентности I, II, реже III, этим оксидам
соответствуют основания. Кислотные оксиды – это оксиды неметаллов или металлов в валентности
больше IV, этим оксидам соответствуют кислоты.
Основные оксиды взаимодействуют с кислотами с образованием солей:
CaO + 2HCl = CaCl2 + H2O
Кислотные оксиды реагируют с основаниями с образованием кислот:
SO2 + 2KOH = K2SO3 + H2O
Поэтому кислотные и основные оксиды называют солеобразующими.
3. Виды бинарных веществ
Существуют неорганические вещества, которые нельзя отнести ни к одному из приведенных в схеме на
Рис.1 классов. Приведем примеры.
Нашатырный спирт, использующийся в медицинских целях, – это раствор в воде газа с резким запахом
– аммиака. Химическая формула аммиака – NH3. По составу данное вещество больше могло бы
соответствовать классу кислот. Однако, водный раствор аммиака окрашивает лакмус в синий цвет, а
растворы кислот меняют цвет лакмуса на розовый. Значит, аммиак нельзя отнести ни к одному из
перечисленных классов.
Еще одно вещество из домашней аптечки – перекись водорода, или, по-научному, – пероксид водорода.
Химическая формула данного вещества – H2O2, его структурная формула – Н-О-О-Н. Как видим,
валентность кислорода всегда равна II, а валентность водорода – I. В молекуле пероксида водорода
атомы кислорода соединены друг с другом и образуют так называемый «кислородный мостик». Такой
«мостик» характерен для отдельной группы веществ – пероксидов, в оксидах он не может
присутствовать.
Карбидам, нитридам, силицидам тоже нет места в приведенной классификации. Все эти вещества
просто относят к группе бинарных веществ. Примеры бинарных веществ:
СаС2 – карбид кальция
Li3N – нитрид лития
Mg2Si – силицид магния
4. Металлы и неметаллы одновременно
К металлам или неметаллам относится простое вещество олово Sn? Чтобы ответить на этот вопрос,
нужно знать, о каком олове идет речь.
Белое олово – серебристо-белый, очень мягкий металл. Используется в пайке, для лужения железа и
изготовления сплавов. При низкой температуре белое олово превращается в серый порошок, утрачивая
свои металлические свойства. Переход белого олова в серое называют «оловянной чумой» (Рис. 2). Эта
«болезнь» металла послужила причиной гибели в 1912 году экспедиции Роберта Скотта к Южному
полюсу. Керосин путешественники хранили в сосудах, запаянных оловом, которое при низкой
температуре рассыпалось в порошок.
Рис. 2. Переход белого олова в серое
Судя по положению в периодической системе элементов, олово находится примерно на границе
«металлы – неметаллы» и действительно обладает двойственными свойствами. Белое олово по
физическим свойствам – металл, а другая модификация – серое олово – неметалл.