§8.1 Первоначальные сведения о классах соединений. Оксиды, кислоты, основания, соли.
Классификация облегчает изучение веществ, поэтому вещества похожего состава объединяют в классы. Вещества, относящиеся к какому-либо одному классу, обязательно обладают какими-то общими, похожими химическими свойствами. Например, в главе 5 мы дали определение оксидам, как веществам, состоящим из атомов двух элементов, один из которых - кислород.
Вспомним формулы оксидов из главы 5:
SO2 |
SO3 |
CO2 |
CaO |
Fe2O3 |
оксид серы (IV) |
оксид серы (VI) |
оксид углерода (IV) |
оксид кальция |
оксид железа (III) |
Формулы оксидов похожи друг на друга тем, что каждая включает только два элемента, один из которых – обязательно кислород. Есть у них и общие химические свойства. Например, все оксиды могут быть получены при взаимодействии элементов с кислородом. И наоборот, из любого оксида можно получить элемент в чистом виде с помощью реакции этого оксида с водородом или другим восстановителем.
Помимо общих свойств, у соединений одного класса могут наблюдаться и различия в химическом поведении. Например, есть оксиды кислотные и оксиды основные
.Кислотные оксиды
способны превращаться в кислоты.
SO3 |
+ |
H2O |
= |
H2SO4 |
кислотный оксид |
вода |
серная кислота |
Кислотные оксиды образуются (за редким исключением) из неметаллов
.Основные оксиды
способны превращаться в основания. Они образованы металлами.
CaO |
+ |
H2O |
= |
Ca(OH)2 |
основной оксид |
вода |
гидроксид кальция - основание |
Образующиеся из оксидов кислоты (§8.3) и основания (§8.4) являются самостоятельными классами соединений. Давайте выясним, что объединяет между собой кислоты и что
– основания.Важнейшее общее свойство кислот заключается в том, что они способны предоставлять свои атомы водорода (в виде ионов Н+) для реакций с другими веществами:
H2SO4 |
+ |
Zn |
= |
ZnSO4 |
+ |
H2 (газ) |
серная кислота |
цинк |
два атома водорода замещены цинком |
HCl |
+ |
AgNO3 |
= |
AgCl (осадок) |
+ |
HNO3 |
соляная кислота |
соль серебра |
атом водорода замещен серебром |
Таким образом, молекула любой кислоты состоит из подвижных атомов водорода и оставшейся части молекулы, которая называется кислотным остатком
:H2SO4 – серная кислота (SO4 2– кислотный остаток),
HCl – соляная кислота (Cl - кислотный остаток),
HNO3 – азотная кислота (NO3- – кислотный остаток).
Рядом с кислотным остатком указан его электрический заряд. Кислотный остаток может выступать в химических реакциях как самостоятельная частица.
Кислотные остатки могут переходить без изменений из одного соединения в другое.
Важнейшим общим свойством оснований является следующие: для реакций с другими соединениями они могут предоставлять свои гидрокси-группы (группы ОН- ). Эти группы ведут себя в реакциях оснований как отдельные частицы и могут без изменений переходить в новое соединение.
Ca(OH)2 + 2 HCl = CaCl2 + 2 H2O (или 2 НОН)
(в этой реакции обе гидрокси-группы перешли из Ca(OH)2 в молекулы воды)
Гидрокси-группы могут переходить без изменений из одного соединения в другое.
Чтобы подчеркнуть роль гидрокси-групп в свойствах оснований, их формулы пишут не так, как формулы кислот. Например:
Ca(OH)2 (но не H2CaO2).Когда кислоты и основания реагируют между собой, получаются соли – еще один важнейший класс соединений:
HCl |
+ |
NaOH |
= |
NaCl |
+ |
H2O |
кислота |
основание |
соль: |
2HNO3 |
+ |
Ba(OH)2 |
= |
Ba(NO3)2 |
+ |
2H2O |
кислота |
основание |
соль: |
H2SO4 |
+ |
2KOH |
= |
K2SO4 |
+ |
2H2O |
кислота |
основание |
соль: |
Результат этих реакций объясняется следующим образом. В растворе кислоты распадаются на ионы H
+ и ионы кислотных остатков:H
Cl = H+ + Cl-H
NO3 = H+ + NO3-H
2SO4 = 2H+ + SO42-Основания в растворе распадаются с образованием ионов OH-
и катионов различных металлов:NaOH = Na+ + OH-
Ba(OH)2 = Ba2+ + 2 OH-
KOH = K+ + OH-
Когда сливают вместе растворы кислоты и основания, ионы
HCl + NaOH = NaCl + H2O
Более наглядно эту реакцию можно записать несколько по-иному - с реально участвующими в ней ионами (такие уравнения называются ионными - подробнее о них будет рассказано в §10.4):
H+
+ Cl- + Na+ + OH- = Cl- + Na+ + (HOH)Если такой раствор выпарить, гидраты ионов Cl– и Na+ разрушаются и образуется кристаллическая соль NaCl.
Соли получаются и в других реакциях. Однако теоретически любую соль можно получить в реакции между определенной кислотой и определенным основанием. Реакции между кислотами и основаниями называются реакциями нейтрализации. Они являются всего лишь разновидностью реакций обмена, однако из-за своей важности имеют собственное название, которое очень характерно. Действительно, "жгучая" кислота и "едкое" основание нейтрализуют друг друга. В результате получается нейтральный (не жгучий и не едкий) раствор соли в воде.
Реакция обмена между кислотой и основанием, в результате которой образуется соль и вода, называется реакцией нейтрализации.
В опыте можно увидеть реакцию нейтрализации между уксусной кислотой и щелочью, в которую добавлен индикатор фенолфталеин (см. §8.5):
CH3COOH + NaOH = CH3COONa + H2O
Первоначально раствор щелочи окрашен ("фенолфталеиновый в щелочах малиновый" - заучивают школьники и студенты). В результате реакции образуется соль (ацетат натрия) и вода. В момент, когда щелочь израсходована полностью, малиновая окраска раствора исчезает как по мановению волшебной палочки.
Реакции нейтрализации всегда протекают с выделением энергии, потому что ионы H+ из кислоты и ионы OH– из основания соединяются в прочное соединение – воду.
Н
+ + ОН– = Н–О–Н + теплотаВ быту солью называют обычно только поваренную соль NaCl. Однако и Ba(NO3)2, K2SO4, CH3COONa – тоже соли. Существует большое количество солей. Всех их объединяет общее свойство: соли состоят из атома (иона) металла (иногда иона аммония NH4+) и кислотного остатка. Более подробно о солях рассказывается в §8.7 и 8.8.
Задачи.
8.1. Напишите реакции следующих оксидов с водой: BaO, Li
2O, SeO3, N2O3.8.2. Какие соли образуются в реакциях нейтрализации:
KOH + HBr = ? + H2O
HF + LiOH = ? + H2O
2NaOH + H2SO4 = ? + 2H2O
8.3. Сколько граммов соли CaSO
4 получится в реакции нейтрализации 7,4 г гидроксида кальция Ca(OH)2 избытком серной кислоты H2SO4 по уравнению:Ca(OH)2 + H2SO4 = CaSO4 ↓ + 2H2O ?
8.4. Сколько граммов концентрированной серной кислоты необходимо взять для нейтрализации водного раствора, содержащего 4 г NaOH ?
8.5. Напишите уравнение реакции, происходящей при добавлении к оксиду кальция CaO водного раствора соляной кислоты HCl. Какая соль образуется в этой реакции?
_________________