Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:А ты хочешь знать химию. Учебно-справочное пособие для старшеклассников и абитуриентов
.pdf
со времён работ М.В. Ломоносова, методы химического анализа
постоянно развивались и совершенст во вались.
Для того, чтобы обнаружить в исследуемом веществе
какой-либо определённый элемент, надо произвести реакцию,
которая свойственна соединениям именно этого элемента.При
этом необходимо подобрать такую реакцию, которая сразу
давала бы чёткие сигналы о том, что она действительно
произошла. Сигналом может быть выпадение осадка (иногда
окрашенного в характерный цвет), выделение пузырьков газа,
изменение окраски индикатора и др. Такие реакции, с помощью
которых мы и получаем тот или иной сигнал о наличии того или
иного элемента называют качественными реакциями.
Качественная реакция — это реакция, с помощью которой определяют состав вещества, т. е. из каких элементов состоит данное вещество — качественный состав вещества.
Поскольку электролит в растворе находится в виде ионов,
то мы будем рассматривать качественные реакции на ионы.
Определяя наличие того или иного иона в растворе, мы определяем состав вещества. Определить наличие некоторых ионов можно даже визуально. Например, гидратированный ион
меди придаёт раствору голубую окраску. Для обнаружения
других ионов служат те или иные признаки — сигналы, о которых говорилось выше, как например, выпадение осадка,
выделение пузырьков газа, изменение окраски индикатора и
др., поскольку каждый гидратированный ион имеет свои характерные свойства, которые проявляются в свойствах раствора электролита независимо от того, какие ещё ионы или
молекулы содержатся в растворе.
Практически для каждого иона есть своя качественная
реакция. Так наличие хлорид-иона Cl
–
обычно определяют с
помощью ионов серебра, так как известное нам сокращённое
ионное уравнение Ag
+
+ Cl– = AgCl указывает на то, что ионы
серебра при взаимодействии с хлорид-ионами всегда образуют
нерастворимый ни в воде, ни в кислотах хлорид серебра
AgCl — творожистого вида белый осадок, темнеющий на
свету. По образованию такого осадка определяют наличие
хлорид-ионов с помощью ионов серебра, и наоборот, с помощью
хлорид-ионов определяют наличие ионов серебра. Из растворимых солей серебра обычно в лабораториях используют нитрат серебра AgNO
ионов. Нитрат серебра AgNO
для доказательства наличия хлорид-
3
— это реактив на соляную
3
кислоту и её соли — эти слова означают, что с помощью этого
вещества можно доказать наличие хлорид-иона в растворе.
181
Слово «реактив» применяется для обозначения вещества,
используемого для проведения химической реакции.
Поскольку речь идёт о ионах, и мы используем сокращённое
ионное уравнение, отражающее взаимодействие ионов, то
можно выразить мысль, заключённую в данном сокращённом
ионном уравнении следующим образом: ионы серебра
являются реактивом на хлорид-ионы, и наоборот, хлоридионы являются реактивом на ионы серебра — в данном
предложении слово «реактив» используют для того, чтобы
подчеркнуть, что мы имеем в виду не любые вещества или
ионы, а только те, с помощью которых можно установить
наличие того или иного иона.
Качественной реакцией на сульфат-ион будет его
взаимодействие с ионами бария — это отражено в сокращённом ионном уравнении Вa
2+
+ SO
2–
ВaSO4, которое
4
показывает, что всегда при взаимодействии этих ионов образуется осадок сульфата бария ВaSO
— белого кристал-
4
лического вещества, не растворимого ни в воде, ни в кислоте.
Поэтому по образованию такого осадка в случае приливания
раствора любой соли бария к какому-либо раствору судят о
наличии в нём сульфат-ионов, и наоборот, т. е. если образуется
такой же осадок при приливании растворов, содержащих
сульфат-ионы, к какому-либо раствору, то говорят о наличии
в нём ионов бария. Ионы бария являются реактивом на
сульфат-ионы, и наоборот. В качестве реактива на серную
кислоту и её соли обычно используют растворы хлорида бария
ВaCl
или нитрата бария Вa(NO3)2, т. е. растворимые соли
2
бария.
Хлорид бария ВaCl
и нитрат бария Вa(NO3)2 являются
2
реактивами и на карбонат-ион:
Вa
2+
+ СO
2–
ВaСO
3
3
При взаимодействии ионов бария и карбонат-ионов также
образуется кристаллический осадок белого цвета, как и в случае
с сульфат-ионом. Но карбонат бария растворяется в кислотах в
отличие от сульфата бария. Поэтому к осадку приливают сильную кислоту (обычно соляную или азотную), и, если осадок взаимодействует с кислотой, образуя пузырьки бесцветного газа
без запаха, то делают вывод, что этот осадок является не сульфатом бария ВaSO
ВaСO
+ 2НCl ВaCl2 + Н2СO
3
, а карбонатом бария ВaСO3.
4
3
Н2О СО
2
182
Для доказательства образования именно углекислого газа
часто используют известковую воду (раствор гидроксида
кальция в воде) — если она мутнеет при прохождении через
неё газа, то значит это действительно углекислый газ.
Наличие в растворе ионов водорода (ионов гидроксония)
доказывают с помощью индикаторов. Изменение окраски
индикатора происходит под воздействием ионов водорода.
Так, например, фиолетовый лакмус под воздействием ионов
водорода становится красным. Качественная реакция на ион
водорода — это взаимодействие растворов с индикаторами.
Лакмус и метилоранж — реактивы на кислоты.
Качественная реакция на основания (щёлочи) — это
также взаимодействие растворов с индикаторами. Если,
например, фенолфталеин из бесцветного станет малиновым,
можно сделать вывод, что в растворе есть гидроксид-ионы.
Изменение окраски индикатора происходит под воздействием
гидроксид-ионов.
Лакмус, метилоранж, фенолфталеин — реактивы на
гидроксид-ионы ОН
Вопросы и задания
по теме «Теория электролитической диссоциации (ТЭД)»:
1. Какие виды химической связи вы знаете?
2. Какие элементы образуют вещества с ионным видом химиче-
ской связи? Приведите примеры веществ с ионным видом хими-
ческой связи. Укажите ионы, из которых состоят указанные вами
вещества.
3. Какие элементы образуют вещества с ковалентной связью? Ка-
кие виды ковалентной связи вы знаете? Какие вещества (с каким
видом ковалентной связи) подвергаются электролитической дис-
социации? Приведите примеры таких веществ.
4. Что такое электролиты? Приведите примеры электролитов.
Укажите вид химической связи, существующей в электролитах.
5. Что такое неэлектролиты? Приведите примеры неэлектролитов.
Укажите вид химической связи, существующей в неэлектролитах.
6. Объясните, почему вода является хорошим растворителем.
7. Что такое электролитическая диссоциация? Кто является осно-
воположником теории электролитической диссоциации?
8. В чём суть гидратной теории Д.И. Менделеева?
9. В чём заключается механизм диссоциации веществ с ионным
видом связи? Зарисуйте схему процесса диссоциации.
–
, т. е. на щёлочи.
183
10. В чём заключается механизм диссоциации веществ с полярной
ковалентной связью? Зарисуйте схему процесса диссоциации.
11. Кто из русских учёных объединил теории С. Аррениуса и
Д.И. Менделеева?
12. Почему растворение — это физико-химический процесс?
13. Что такое ион?
14. Что такое гидратированный ион?
15. Что такое кристаллогидрат? Приведите пример кристаллогидрата.
16. Что такое катион? Приведите примеры катионов.
17. Что такое анион? Приведите примеры анионов.
18. От чего зависят свойства растворов?
19. Что такое электрический ток?
20. Что такое электрический ток в металлах?
21. Что такое электрический ток в растворах электролитов?
22. Что такое степень электролитической диссоциации?
23. Что означает выражение «степень электролитической диссоциации уксусной кислоты в данном растворе равна 0,3»?
24. Что такое сильный электролит? Приведите примеры сильных
электролитов.
25. Что такое слабый электролит? Приведите примеры слабых
электролитов.
26. В молекулах каких электролитов (сильных или слабых) ионы
связаны прочно?
27. Что такое кислота в свете ТЭД? Запишите уравнение диссоциации кислоты.
28. Что такое основание в свете ТЭД? Запишите уравнение диссоциации основания.
29. Что такое средняя соль в свете ТЭД? Запишите уравнение диссоциации средней соли.
30. Что такое необратимая реакция?
31. Назовите условия, при которых реакции обмена между электролитами в растворе протекают до конца.
32. В чём причина наличия общих свойств растворов кислот?
33. В чём причина наличия общих свойств растворов оснований?
34. Есть ли химические свойства — общие для всех солей?
35. Какой ион служит реактивом на хлорид-ион?
36. Какой ион служит реактивом на сульфат-ион?
Какие вещества служат реактивами на ион водорода и
37.
гидроксид-ион? Приведите примеры.
38. Что такое качественная реакция?
39. Какие два значения слова «реактив» вы знаете?
184
40. Напишите уравнения диссоциации:
— карбоната калия;
— гидроксида натрия;
— серной кислоты;
— гидроксида кальция;
— сульфата алюминия;
— гидроксида калия;
— гидроксида бария;
— нитрата меди (II).
41. Напишите уравнения реакций в молекулярном виде, в
ионном виде (полные и сокращённые ионные уравнения) между:
хлоридом калия и нитратом серебра, карбонатом натрия и азотной
кислотой, хлоридом алюминия и гидроксидом калия, сульфатом
меди и гидроксидом натрия, серной кислотой и нитратом бария,
хлоридом бария и нитратом серебра.
§ 7. Теории кислот и оснований
Понятия «кислота» и «основания» относятся к фундаментальным понятиям современной химии.
На протяжении истории развития химической науки
менялись представления о том или ином понятии. Так было с
понятиями — кислота и основания. Слово «кислота» (по
латыни асid) скорее всего произошло от латинского названия
уксуса асеtum, так как уксусная кислота, по-видимому, была
первой, которую человек научился получать и использовать. Затем
люди узнали серную кислоту, затем соляную и азотную (XIV в.).
Первая теория кислот была предложена французским
химиком Антуаном Лавуазье (1743–1794). Эта теория объясня ла свойства кислот содержанием в них кислорода. Доказательство существования бескислородных кислот — соляной,
сероводородной и др. — привело к отказу от этой теории.
В 1838 году немецкий химик Юстус Либих (1803–1873),
обобщив все имеющиеся сведения о кислотах, создал
водородную теорию кислот. Основная идея этой
теории заключалась в следующем: «Кислоты — это такие
водородные соединения, в которых водород может быть
замещён металлами». Свойство водорода в кислоте замещаться металлом стали считать важнейшей особенностью
кислот. Считалось также, что изменение окраски индикатора
происходит благодаря действию атомов водо рода.
185
Первым основанием, с которым человек встретился в
древности, был, по-видимому, гидроксид кальция
(известь). Смесь дроблёного камня, песка и извести
применялись ещё 2000 лет назад в качестве бетона.
Значительно позднее (примерно в IX–X вв.) человек познакомился с гидроксидами натрия и калия. Так как щёлочи
разъедали кожу, их назвали едкими щелочами. В течение
долгого времени щёлочи считались простыми веществами,
т. е. такими, которые нельзя разложить на составные
части, а поэтому полагали, что щёлочи — «основные
элементы», из которых состоят другие вещества. Этим же
объясняется и данное позднее название «основания» для
гидроксидов ме тал лов. Термин «основание» ввёл
французский химик Г. Руэль в 1744 году.
Создание С. Аррениусом теории электролитической диссоциации (1887) привело к существенному уточнению во дородной теории кислот. С. Аррениус считал, что кислота —
это вещество, диссоциирующее в растворе с отщеплением
ионов водорода, а основание — это вещество, диссоциирующее
в растворе с отщеплением гидроксид-ионов.
Такие вещества, как например, щёлочи, действительно
имели в своём составе гидроксид-ионы и при диссоциации
отщепляли эти частицы. Но оказалось, что есть много
веществ, как например, аммиак NH
, которые в своём
3
составе не имели гидроксид-ионов, но в их растворах
присутствовали гидроксид-ионы — на это указывали
индикаторы. Теория электролитической диссоциации не
могла объяснить появление гидроксид-ионов в растворах
аммиака и ряда других подобных ему веществ.
Протолитическая теория. В 1923 году датский учёный И.Н. Бренстед предложил теорию, которая давала новые
представления о кислоте и основании. И.Н. Бренстед отметил
главный процесс, который происходит при любом кислотноосновном взаимодействии: переход протонов от кислоты к
основанию. В соответствии с этой теорией кислота — это
вещество, которое отдаёт протон (т. е. как и в теории
электролитической диссоциации, кислота — это вещество,
которое отщепляет ион водорода — протон). Однако по теории
Бренстеда основание — это вещество, которое способно
присоединять к себе протон при кислотно-основном
взаимодействии. Вещества, которые обмени ваются протонами, он назвал протолитами, а сами реакции, при которых
этот обмен происходит, — протолитическими. Отсюда и
186
название теории, предложенной Бренстедом, — протолитическая теория.
Рассмотрим растворение хлороводорода в воде. При этом
взаимодействии хлороводород отщепляет от себя ион водорода
+
H
. Ион водорода — это ядро атома водорода, которое в
отличие от любого другого иона не имеет электронной
оболочки, а поэтому его образно называют «голый» протон.
Из-за отсутствия электронной оболочки он резко отличается
от других ионов своими размерами: диаметр иона водорода
(протона) в сотни тысяч раз меньше диаметра других
ионов. При таком необычно малом размере протон имеет
достаточно большой положительный заряд, и потому он
буквально врезается в отрицательно заряженные оболочки
атома кислорода в молекуле воды, образуя с ней достаточно
прочный ион гидроксония Н
О+. При этом выделяется
3
немалая энергия. Энергия, которая выделяется при
соединении протона с молекулой воды, довольно хорошо
характеризует степень «родственных чувств» воды к
протону. Эту энергию так и назвали: сродство к протону,
или протонное сродство. При взаимодействии хлорово-
дорода с водой хлороводород выполняет роль кислоты —
отщепляет от себя протон, а вода выполняет роль
основания — присоединяет к себе протон, в результате чего
и образуется ион гидроксония:
Н
О + HCl Н3О+ + Cl
2
основание кислота ион хлорид-ион
гидроксония
–
Сродством к протону обладает не только вода, но и мно-
гие другие вещества. Не у всех веществ вода отрывает прото-
ны. Рассмотрим взаимодействие между аммиаком и водой.
Как только молекулы аммиака NH
попадают в воду, индика-
3
торы обнаруживают в растворе гидроксид-ионы. Значит, в
этом случае молекулы аммиака вырывают у некоторых молекул воды протон, в результате чего в растворе появляются
гидроксид-ионы. В соответствии с протолитической теорией в
реакции между аммиаком и водой, аммиак выполняет роль
основания (присоединяет к себе протон), а вода — роль кислоты (отщепляет от себя протон, отдаёт протон). Схему процесса представляют так:
NH
основание кислота ион гидроксид-ион
аммония
+ HOH NH
3
+
+ OH
4
–
187
Почему аммиак отрывает протон от воды, а не наоборот?
Оказывается, у аммиака сродство к протону заметно боль-
ше, чем у воды. Присоединение протона к аммиаку энергетически выгоднее, чем присоединение протона к воде. Именно
из-за того, что аммиак более жадно присоединяет протон, чем
вода, воде приходится выступать в роли кислоты — отдавать
протон молекулам аммиака в момент растворения.
Появилось новое представление об основаниях как о веществах, способных присоединять к себе протоны (вернее, отбирать их у других веществ). Кстати, щёлочи вовсе не противоречили этому представлению, так как они жадно отрывали
протоны от кислот, образуя при этом воду. Например:
KОН + НСl
основание кислота
= KСl + Н
О
2
Н+ + ОН– = Н2О
Сокращённое ионное уравнение показывает, что от кислоты протон отрывает не щёлочь, а гидроксид-ион.
Из приведённых выше уравнений можно сделать вывод:
1) вода — амфотерное соединение; 2) любое вещество ста-
новится кислотой или основанием только при взаимодействии с другим веществом и только по отношению к другому веществу. Это один из важных выводов протолитической
теории, которая показала относительность понятий «кислота» и «основание». Они оказались относительными, как и
всё в мире.
Электронная теория кислот и оснований.
В 1923 году американский физико-химик Г.Н. Льюис (1875–
1946) создал электронную теорию кислот и оснований. В основе этой теории лежат представления о донорах и акцепторах
электронных пар. Льюис — один из создателей теории ковалентной связи. Именно он объяснил химическую связь между
атомами образованием общих электронных пар. Он же указал
два возможных способа образования этих пар: классический —
оба элемента отдают по одному электрону для создания общей
электронной пары (спаривание электронов) и донорноакцепторный. Донорно-акцепторный механизм образования
ковалентной связи заключается в том, что один из соединяющихся атомов отдаёт на образование химической связи свою
свободную электронную пару, а другой атом предоставляет
свою свободную электронную орбиталь. Атом, который отдаёт
электронную пару, называют донором (от латинского слова
dono — дарю), а атом, который принимает электронную пару на
188
свою свободную орбиталь — акцептором (от латинского слова
acceptо — принимаю). В результате донорно-акцепторного
взаимодействия между атомами появляется общая электронная пара, которая осуществляет химическую связь.
Рассмотрим взаимодействие хлороводорода с водой с точки зрения электронной теории кислот и оснований Льюиса.
При этом взаимодействии хлороводород отщепляет от себя
протон. Протон — ядро атома водорода имеет свободную орбиталь, а атом кислорода в молекуле воды имеет свободную
неподелённую пару электронов. Образование общей электронной пары, связывающей протон с атомом кислорода в молекуле воды, происходит в результате того, что протон на свою
свободную орбиталь принимает свободную пару электронов
от кислорода, и поэтому ион водорода считают акцептором, а
кислород считают донором, так как он отдаёт иону водорода
свою пару электронов. Образование иона гидроксония Н
О+,
3
т. е. образование прочной ковалентной связи между ионом водорода — протоном и атомом кислорода молекулы воды, идёт
по донорно-акцепторному механизму.
вода хлороводород
.. .. .. ..
Н :О: + Н :Cl: [ Н :О: Н ]+ + [:Cl:]
.. .. .. ..
–
Н Н
донор акцептор ион хлорид-ион
электронной электронной гидроксония
пары пары
основание кислота
С точки зрения электронной теории кислот и оснований
кислота — это вещество-акцептор, которое способно принять электронную пару для образования химической связи, а
основание — это вещество-донор, которое способно отдать
электронную пару для образования химической связи. С этой
точки зрения хлороводород является кислотой, так как содержит протон — акцептор, способный принимать электронную пару, а вода — основание — донор, так как она является
веществом, способным отдавать электронную пару. В результате донорно-акцепторного взаимодействия между атомами
кислорода и водорода в ионе гидроксония появляется общая
электронная пара, которая осуществляет химическую связь.
В ионе гидроксония три ковалентные связи, и одна из них
образована по донорно-акцепторному механизму.
189
(Для лучшего запоминания: для связи слов «кислота —
акцептор» и «основание — донор» обращаем внимание на
то, что в словах кислота и акцептор есть по две одинаковые
буквы «а» и «к», а в словах основание и донор также есть по
две одинаковые буквы «о» и «н».)
А теперь рассмотрим взаимодействие аммиака с водой:
аммиак вода
H Н H
.. .. ..
H :N: + H :O:
.. .. ..
H
донор акцептор ион гидроксид-ион
основание кислота аммония
H
H :N: H + OH
+
–
С точки зрения электронной теории в данном взаимодействии аммиак — основание — донор электронной пары, а
вода — кислота, так как отщепляет протон — акцептор электронной пары. В результате донорно-акцепторного взаимодействия между атомами азота и водорода в ионе аммония
появляется общая электронная пара, которая осуществляет
химическую связь. В ионе аммония четыре ковалентные связи,
и одна из них образована по донорно-акцепторному механизму.
Интересно сопоставить электронную теорию кислот и
оснований с протолитической теорией. Рассмотрим к примеру
реакцию нейтрализации. Сущность её, как известно, сводится
к взаимодействию ионов водорода с гидроксид-ионами.
Если учесть электронное строение частиц, получим
типичное донорно-акцепторное взаимодействие:
..
Н:О: + Н
..
..
+
Н:О:
..
Н
Гидроксид-ион выступает донором электронной пары, т. е.
проявляет основные свойства, а ион водорода, содержащийся
в кислоте, — акцептором. Как видим с протолитической
теорией здесь особых противоречий нет.
Заметим, что протон, имеющий свободную орбиталь,
обладает большим сродством к электронной паре и во всех
кислотно-основных реакциях выступает сильнейшим
акцептором электронов.
В соответствии с электронной теорией кислот и оснований
Льюиса понятия «кислота» и «основание» имеют гораздо
больший объём по сравнению с понятиями, данными в
190
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]