Химия. В 2 частях. Ч.II. Учебное пособие

3. Основные классы неорганических соединений

Be(OH)2 + 2NaOH → Na2[Be(OH)4)] Al(OH)3 + KOH + 2H2O → K[Al(OH)4(H2O)2] или

Al(OH)3 + 3KOH → K3[Al(OH)6]

Cr(OH)3 + 3KOH → K3[Cr(OH)6]

5. Термически основания неустойчивые и при нагревании разлагаются на соответствующий оксид и воду. Основания металлов IA группы при нагревании плавятся без разложения за исключением гидроксида лития (он разлагается):

NaOH → Na+ + OH–

KOH → K+ + OH–

LiOH → Li2O + H2O

2Fe(OH)3 → Fe2O3 + 3H2O

6. Сильныеоснования(напомним, чтокнимотносятгидроксидыметаллов IA группы, а также Ba(OH)2 и Sr(OH)2) в воде диссоциируют на ионы полностью и необратимо. Слабые основания диссоциируют в малой степени и обратимо:

KOH → K+ + OH–

Ba(OH)2 → Ba2+ + 2OH–

Ni(OH)2 ↔ Ni2+ + 2OH–

Fe(OH)3 ↔ Fe3+ + 3OH–

Вопросы и упражнения

1.Какие вещества можно отнести к классу оснований?

2.Как называются хорошо растворимые в воде основания?

3.Какие свойства проявляет гидроксид натрия в реакции: 2NaOH + SO2 → Na2SO3 + H2O

4.Каким по силе электролитом является гидроксид натрия? Запишите соответствующее уравнение диссоциации.

71

Модуль IV. Неорганическая химия

5.Возможна ли реакция между гидроксидом натрия и оксидом лития? Почему?

6.Какие основания называют амфотерными? Почему?

7.Можно ли щелочь получить электролизом расплава соли?

8.Закончите и расставьте коэффициенты в уравнениях реакций:

Ca(OH)2 + HNO3 → KOH + P2O5 → Cu(OH)2 (t) → Cu(OH)2 →

3.3. Кислоты

Кислоты– этосложныевещества, которыесостоятизкатионаводорода (H+) и кислотного остатка.

В зависимости от состава кислотного остатка кислоты подразделяют на бескислородные (H2S, HCl, HI) и кислородсодержащие (H3PO4, HNO3,

HMnO4).

Если кислота содержит один катион водорода, то она называется одно-

основная (HCl, HI, HNO3, HMnO4); если два, то ее называют двухосновная

(H2S, H2SO4, H2SO3); если три катиона водорода – трехосновная (H3PO4, H3AsO4).

Номенклатура

Названия бескислородных кислот образуются из корня русского названия неметалла, соединительной гласной -о- и слова «водородная» (HCl – хлороводородная).

Названия кислородсодержащих кислот строятся так:

а) если элемент, который входит в состав кислотного остатка, находится в высшей степени окисления, то к корню русского названия элемента добавляют суффиксы -н-, -ев- или -ов- и далее окончание -ая (H2SO4 – серная, HMnO4 – марганцовая);

б) если степень окисления центрального атома не высшая, то используется суффикс -ист- и далее окончание -ая (HNO3 – азотистая);

в) если неметалл образует ряд кислот, используют и другие суффиксы (HClO – хлорноватистая, HClO2 – хлористая, HClO3 – хлорноватая, HClO4 – хлорная).

72

3. Основные классы неорганических соединений

Физические свойства

По агрегатному состоянию при обычных условиях кислоты представляют собой жидкости (HNO3, H2SO4), реже твердые вещества (H3BO3, H3PO4), но бывают и газы (HCl). Практически все кислоты хорошо растворяются в воде за исключением кремниевой кислоты (H2SiO3).

Получение

Кислоты играют огромную роль в жизни человека. С пищей человек получает животные и растительные белки, которые расщепляются на аминокислоты. Благодаря им в организме происходит строительство живых тканей и белковых структур. Кислоты применяются во многих областях: в промышленности, медицине, быту, сельском хозяйстве. В связи с этим получению кислот уделяется большое внимание. Они могут быть получены как в промышленных масштабах, так и в лабораторных условиях. Из всех кислот наибольшее значение и применение имеют серная, азотная и фосфорная кислоты.

I. Промышленные способы получения кислот

1.Промышленный способ получения серной кислоты:

●Самый распространенный – это контактный способ. Им можно полу-

чить H2SO4 различной концентрации. Первый этап заключается в обжиге пирита:

4FeS2 + 11O2 → 2Fe2O3 + 8SO2

Затем газ очищают от примесей и проводят окисление:

2SO2 + O2 ↔ 2SO3 + Q

Поскольку эта реакция по тепловому эффекту является экзотермической, товестипривысокихтемпературахеенельзя, таккакравновесиебудет смещаться в сторону реагентов. Для увеличения выхода продукта при невысоких температурах используют катализаторы (в качестве катализаторов используют Pt, V2O5, Fe2O3).

Следующим этапом является поглощение SO3 серной кислотой концентрированной (такая смесь называется олеум H2SO4 · nSO3). Для поглощения оксида серы (VI) SO3 использовать воду нельзя, так как образуется серная кислота в виде тумана, который состоит из мельчайших капелек серной кислоты (оксид серы растворяется в воде с выделением большого количества теплоты, серная кислота настолько разогревается, что закипает и пре-

73

Модуль IV. Неорганическая химия

вращается в пар). Для того чтобы получить разбавленную кислоту, олеум разбавляют водой.

● Башенный или нитрозный способ.

Первая стадия оказывается такой же, как и в контактном методе получения. Он основан на окислении SO2. Но в отличие от контактного, обжиговый газ не подвергается дополнительной очистке.

Затем полученный оксид окисляют, причем в качестве катализатора используют оксиды NO, NO2:

2SO2 + O2 + 2H2O → 2H2SO4

Концентрация кислоты может быть таким методом доведена максимум до 75 %. Это способ более дешевый, так как не требуется очистка сернистого газа.

2. Промышленный способ получения азотной кислоты: Первым этапом является контактное окисление аммиака:

4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O,

но при этом можно получить и закись азота и азот. Чтобы подавить эти реакции, используют избирательность платинового катализатора и металлы платиновой группы (80–90 % Pt, 10 % других металлов для прочности). Также влияет на процесс окисления и температура. Скорость реакции растет, а значит, увеличивается и выход окиси азота.

Затем проводят окисление окиси азота:

2NO + O2 ↔ 2NO2 + Q

При понижении температуры и повышении давления равновесие смещается вправо. Это самая медленная стадия. Ее проводят при температуре 160–200 °С, при Р = 1 мПа. Ниже не охлаждают, так как идет процесс димеризации NO2:

2NO2 ↔ N2O4

На третьем этапе проводят реакцию:

2NO2 + H2O → HNO3 + HNO2,

но азотистая кислота очень неустойчива и разлагается:

4HNO2 → 2HNO3 + NO + H2O

Этот процесс ведут при низких температурах.

3. Промышленный способ получения фосфорной кислоты:

74

3. Основные классы неорганических соединений

Первой стадией получения фосфорной кислоты является получение фосфора:

2Ca3(PO4)2 + 10C + 6SiO2 → P4 ↑+ 10CO + 6CaSiO3

Пары фосфора выходят из печи вместе с газом СО, а силикат кальция удаляется в виде расплавленного шлака. Затем газ конденсируется.

Следующая стадия – окисление фосфора:

P4 + 5O2 → P4O10

Затем добавляют воду, оксид фосфора очень энергично связывается с водой, образуя при этом метафосфорную кислоту:

P4O10 + 2H2O → 4HРO3

Превращение метафосфорной кислоты в ортофосфорную кислоту происходит при охлаждении и взаимодействии с водой:

HPO3 + H2O→ H3PO4

II. Лабораторные способы получения кислот

1. Взаимодействие кислотных оксидов с водой: SO2 + H2O → H2SO3 SO3 + H2O → H2SO4

CO2 + H2O → H2CO3

2. Взаимодействие водорода с неметаллами: H2 + Cl2 → 2HCl

H2 + S → H2S

3. Реакции обмена между солями и другими кислотами: Na2SO3 + H2SO4 → H2SO3 + Na2SO4

K2SiO3 + 2HCl → H2SiO3 + 2KCl

Химические свойства

1. Кислоты реагируют с основными оксидами, в результате чего образуется соль и вода:

2HNO3 + CuO → Cu(NO3)2 + H2O

H2SO4 + MgO → MgSO4 + H2O

75

Модуль IV. Неорганическая химия

2. При взаимодействии с основаниями также образуется соль и вода: H2S + 2KOH → K2S + H2O

H3PO4 + 3NaOH → Na3PO4 + 2H2O

3. Кислоты вступают в реакции с амфотерными оксидами и гидроксидами, в результате таких реакций образуется соль и вода:

3H2SO4 + Al2O3 → Al2(SO4)3 + 3H2O

2HNO3 + ZnO → Zn(NO3)2 + H2O

3HCl + Cr(OH)3 → CrCl3 + 3H2O

2HNO3 + BeO → Be(NO3)2 + H2O

4. Возможно взаимодействие кислот с солями, но необходимо помнить, чтотакиереакцииосуществимы, толькоеслипроисходитсвязываниеионов (прощеговоря, долженобразовыватьсягаз, осадокиливода), какивлюбых реакциях обмена:

H2SO4 + Ba(NO3)2 → BaSO4↓ + 2HNO3

HCl + AgNO3 → AgCl↓ + HNO3

5. Взаимодействие с металлами.

То, как протекают реакции кислот с металлами, зависит от свойств кислоты и активности металла:

● При взаимодействии кислот – неокислителей (H2S, HCl, HBr, HI,

H2SO4(разбавленная) ) с активными металлами (стоящими в ряду напряжения до водорода) образуется соль и выделяется молекулярный водород:

2HCl + Mg → MgCl2 + H2↑

H2SO4 + Zn → ZnCl2 + H2↑

С металлами, которые стоят в ряду напряжения после водорода, такие кислоты не взаимодействуют:

HBr + Ag

● При взаимодействии кислот – окислителей (HNO3, H2SO4(концентрированная)) с металлами водород никогда не выделяется.

Глубина восстановления азота в азотной кислоте зависит от силы восстановителяиотконцентрациикислоты: чемсильнеевосстановительичем более разбавлена кислота, тем сильнее восстанавливается азот. Например:

76

3. Основные классы неорганических соединений

Cu + 4НNO3(конц.) → Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O 3Cu + 8НNO3(разб.) → 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O 8Mg + 20НNO3(конц.) → 8Mg(NO3)2 + 2N2O + 10H2O

4Mg+ 10НNO3(разб.) → 4Mg(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O

Глубина восстановления серы в серной кислоте зависит от силы восстановителя, чем сильнее восстановитель, тем сильнее восстанавливается сера:

Cu + 2H2SO4 (конц.) → CuSO4 + SO2 + 2H2O

3Zn + 4H2SO4 (конц.) → 3ZnSO4 + S + 4H2O

6. Проявление окислительно-восстановительных свойств с простыми и сложными веществами.

● Как уже было сказано ранее, азотная кислота любой концентрации и сернаякислотаконцентрированнаяявляютсясильнымиокислителями. Они способны взаимодействовать не только с металлами, но и с неметаллами:

2P + 5H2SO4(конц.) → 2H3PO4 + 5SO2 + 2H2O

P + 5НNO3(конц.) → H3PO4 + 5NO2 + H2O

S+ 5НNO3(конц.) → H2SO4 + 5NO2 + H2O S + 2H2SO4(конц.) → 3SO2 + 2H2O

C+ 2H2SO4(конц.) → CO2 + 2SO2 + 2H2O

●Все бескислородные кислоты (кроме HF) способны проявлять восстановительные свойства за счет химического элемента, который входит

всостав аниона, так как он находится в низшей отрицательной степени окисления:

4HCl + MnO2 → Cl2 + MnCl2 + 2H2O 16HBr + 2KMnO4 → 5Br2 + 2MnBr2 + 2KBr + 8H2O

2H2S + 3O2 → 2SO2 + 2H2O

2H2S + SO2 → 3S + 2H2O

7. При нагревании кислоты разлагаются на оксид и воду, если кислота является кислородсодержащей:

77

Модуль IV. Неорганическая химия

H2SO3 → SO2 + H2O

2H3PO4 → P2O5 + 3H2O

Если же кислота бескислородная, то она разлагается на простые вещества:

2HCl → Cl2 + H2

H2S → S + H2

8. Сильные кислоты (HCl, H2SO4, HNO3 и др.) в воде диссоциируют полностью и необратимо. Диссоциация слабых кислот протекает не до конца и обратимо, а если кислота является многоосновной, то диссоциация проходит ступенчато:

HCl → Cl– + H+

HNO2 ↔ NO2– + H+

H2SO4 → SO42– + H+

I H2SO3 ↔ HSO3– + H+

II HSO3– ↔ SO32– + H+

Вопросы и упражнения

1.Приведите примеры бескислородных кислот.

2.Какой по основности является хромовая кислота H2CrO4?

3.Что такое олеум?

4.Какие кислоты называют кислотами-окислителями? Почему?

5.Возможна ли реакция между серной кислотой и оксидом фосфора (V)? Почему?

6.Запишите уравнение диссоциации угольной кислоты.

7.Какие свойства проявляет азотная кислота в реакции: 2HNO3 + MgO → Mg(NO3)2 + H2O

8.Закончите и расставьте коэффициенты в уравнениях реакций: HCl + CaO →

HI + AgNO3 → H3PO4 + KOH → H2SO4(конц.) + Mg → H2SO4(разб.) + Mg →

78

3. Основные классы неорганических соединений

3.4. Соли

Соли– этосложные вещества, всостав которых входиткислотный остатокикатионметаллаилиионаммония. Сольможнорассматривать какпродукт полного или частичного замещения металлом атомов водорода кисло-

ты. В связи с этим различают следующие виды солей:

●Средние соли – это такие соли, в которых все атомы водорода в кислоте замещены металлом: Na2CO3, KNO3 и т. д.

●Кислые соли – это такие соли, в которых не все атомы водорода в кислоте замещены металлом. Кислые соли могут образовывать только двухили многоосновные кислоты. Одноосновные кислоты кислых солей не об-

разуют: NaHCO3, NaH2PO4 и др.

●Основные соли – это такие соли, в которых имеет место частичное замещение гидроксильных групп оснований кислотными остатками:

Аl(OH)SO4 , Zn(OH)Cl и т. д. Основные соли могут образовывать только многокислотные основания.

●Двойные соли – это такие, в которых атомы водорода двухили многоосновной кислоты замещены не одним металлом, а двумя различными:

NaKCO3, KAl(SO4)2 и т. д.

● Комплексные соли – это соединения, в состав которых входят сложные (комплексные) ионы, способные к самостоятельному существованию в кристаллах соединения и в водных растворах. Например: [Cu(NH3)6]SO4, K4[Fe(CN)6] и др.

Номенклатура

Согласно международной номенклатуре название соли каждой кислоты происходит от латинского названия элемента, которым она образована. В том случае, если элемент образует несколько солей, то в их названии необходимо указать степень окисления элемента римскими цифрами сразу после названия (табл. 6).

79

Модуль IV. Неорганическая химия

Физические свойства

По агрегатному состоянию все соли – твердые вещества, как правило, имеют высокие температуры плавления и кипения. Растворимость их в воде различна. Бывает, что соль, которая находится в твердом состоянии, содержитвсвоемсоставеводу. Такиевеществаназываюткристаллогидратами. Кристаллогидраты – это вещества, в кристаллическую структуру которых входят молекулы воды, гораздо более прочно связанные с катионами металла, чем катионы и анионы между собой. При низких же температурах вода прочно связывается как с катионами, так и с анионами соли. Примером кристаллогидратов служат медный купорос – CuSO4 · 5H2O, гипс CaSO4 · 2H2O и другие соли. Но не только соли способны образовывать кристаллогидраты, кислоты и основания также выпадают из водных растворов в виде кристаллогидратов. При нагревании кристаллизационная вода, как правило, удаляется из кристаллической структуры вещества. Этот процесс называется обезвоживанием, и идет очень часто ступенчато. Например:

CuSO4 · 5H2O (t ≈ 105 °С) → CuSO4 · 3H2O + 2H2O↑

CuSO4 · 3H2O (t ≈ 150 °С) → CuSO4 · H2O + 2H2O↑

CuSO4 · H2O (t ≈ 250 °С) → CuSO4 + H2O↑

80