Свойства оснований
Типичные основания взаимодействуют с кислотами и кислотными оксидами с образованием солей и воды.
Ва(ОН)2 + СО2 = ВаСО3 + Н2О; КОН + HCl = KCl + Н2О
Щелочи и гидроксид аммония взаимодействуют с растворами солей, если образуются нерастворимые основания.
2КОН + FeCl2 = 2KCl + Fe(OH)2
6NH4OH + Al2(SO4)3 = 2Al(OH)3 + 3(NH4)2SO4
Амфотерные основания взаимодействуют как с кислотами, так и со щелочами с образованием соли и воды. В реакции с кислотами они проявляют свойства типичных оснований.
Cr(OH)3 + 3HCl = CrCl3 + 3H2O
При взаимодействии со щелочами амфотерные основания проявляют свойства кислот. При сплавлении со щелочами образуется соль и вода:
Zn(OH)2 + 2NaOHрасплав = Na2ZnO2 + 2H2O,
а при взаимодействии с растворами щелочей образуются комплексные соли.
Zn(OH)2 + 2NaOHраствор = Na2[Zn(OН)4].
Реакция кислоты с основанием называется реакцией нейтрализации. В ней катионы кислот Н+ и анионы оснований ОН- образуют молекулы воды, и среда раствора становится нейтральной.
В результате реакции нейтрализации выделяется тепло, в разбавленных растворах это ведет к разогреву жидкости, но в случае крепких растворов тепла более чем достаточно, чтобы жидкость закипела. Важным является то, что реакция нейтрализации происходит быстро (как и другие ионные реакции в растворе).
Щелочи растворяют амфотерные металлы. При этом выделяется водород.
2Al +2NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4]+3H2#
В результате реакции при опускании в раствор щелочи алюминия выделяется газ (водород). Это доказывается при его поджигании.
2.6. Характерные химические свойства кислот.
Кислотами называются вещества, при электролитической диссоциации которых образуются только катионы водорода Н+ и никаких других катионов не образуется.
Анионы, образующиеся при диссоциации кислот называются кислотными остатками.
По составу кислотного остатка все кислоты делятся на кислородные и бескислородные. Кислородные кислоты тоже являются гидроксидами, так как содержат в своем составе ОН-группу. Если металл в гидроксиде имеет степень окисления больше 4, то образуется кислота: HVO3, H2CrO4, HMnO4. Неметаллы же в гидроксиде, независимо от степени окисления образуют только кислоты: HClO, HNO2, H2CO3.
Свойства кислот
Большинство кислот хорошо растворяются в воде, растворы имеют кислый вкус, изменяют цвет индикаторов.
Сильные кислоты взаимодействуют со щелочами. Это, как указывалось выше, реакция нейтрализации, потому что кислая среда кислоты и щелочная среда щелочи превращается в нейтральную среду воды. Сокращенное ионное уравнение реакции нейтрализации одинаково для любой пары кислота-щелочь. Оно имеет вид
Н+ + ОН- = Н2О
и отражает саму сущность реакции нейтрализации.
Кислоты взаимодействуют с типичными и амфотерными основаниями, а также с основными и амфотерными оксидами с образованием соли и воды.
2HCl + Mg(OH)2 = MgCl2 + 2H2O; H2SO4 + MgO = MgSO4 + H2O
3HNO3 +Al(OH)3 = Al(NO3)3 + 3H2O; 6HCl + Al2O3 = 2AlCl3 + 3H2O
Данные реакции протекают до конца, потому что образуется очень устойчивый слабый электролит – вода, в результате этого растворяются многие оксиды и нерастворимые основания.
Возможно взаимодействие кислот с солями, если при этом образуются малорастворимые или газообразные вещества.
HCl + AgNO3 = AgCl + HNO3
2HNO3 + CaCO3 = Ca(NO3)2 + H2O + CO2
H2SO4 + Na2SiO3 = H2SiO3 + Na2SO4
Особое внимание следует уделить взаимодействию кислот с металлами.
Взаимодействие кислот с металлами
При взаимодействии соляной и разбавленной серной кислот с металлами окислителем является катион водорода Н+, поэтому они взаимодействуют с металлами, стоящими в ряду напряжений до водорода.
Mg + 2HCl = MgCl2 + H2; Mg + H2SO4(разб.) = MgSO4 + H2
Металлы переменной валентности соляной и разбавленной серной кислотами окисляются до низших степеней окисления. Железо имеет наиболее распространенные степени окисления +2 и +3. При реакции с этими кислотами железо окисляется до степени окисления +2.
Fe + 2HCl = FeCl2 + H2
Свинец является более активным элементом, чем водород, но в процессе реакции на его поверхности образуется плотная нерастворимая пленка хлорида или сульфата свинца(II) и реакция практически не протекает.
В
концентрированной
серной кислоте
окислителем является сульфат ион
,
в котором сера находится в степени
окисления +6. При реакции с металлами
серная кислота восстанавливается до
сероводорода (H2S),
серы (S)
и оксида серы(IV)
(SO2).
Продукты восстановления серной кислоты
зависит от активности металла.
При
взаимодействии концентрированной
серной кислоты с активными
металлами
образуется
соль, вода и преимущественно сероводород.
φ0(К/К+)
= -2,92В – активный металл.
8К + 5H2SO4(конц.) = 4К2SO4 + H2S +4H2O.
Малоактивные металлы восстанавливают серную кислоту преимущественно до SO2. φ0(Ag/Ag+) = +0,8В – неактивный металл.
2Ag + 2H2SO4(конц.) = Ag2SO4 + SO2 +2H2O
Металлы
средней активности
восстанавливают
серную кислоту преимущественно доS.
φ0(Сd/Cd2+)
= – 0,40В –металл средней активности.
3Cd + 4H2SO4(конц.) = 3CdSO4 + S +4H2O
Металлы переменной валентности окисляются концентрированной серной кислотой, как правило, до высшей степени окисления.
3Sn + 8H2SO4(конц.) = 3Sn(SO4)2 + 2S +8H2O
Благородные металлы (Au, Pt и некоторые другие) с концентрированной серной кислотой не взаимодействуют ни при каких условиях. Некоторые металлы (Al, Fe, Cr, Ni и др.) не взаимодействуют с концентрированной серной кислотой при обычных условиях (пассивируются), но взаимодействуют при нагревании. Это свойство железа позволяет хранить и перевозить концентрированную серную кислоту в емкостях из обычной стали.
Свинец с концентрированной серной кислотой взаимодействует с образованием растворимой кислой соли.
Pb + 3H2SO4(конц.) = Pb(HSO4)2 + SO2 +2H2O
В
азотной
кислоте,
независимо от ее концентрации, окислителем
является нитрат-ион
,
содержащий азот в степени окисления
+5, поэтому водород не выделяется, а
только продукты восстановления азотной
кислоты:NH4NO3,
N2,
N2O,
NO,
HNO2,
NO2.
Свободный аммиак не выделяется, т.к. он
взаимодействует с азотной кислотой,
образуя нитрат аммония NH4NO3.
При взаимодействии металлов с концентрированной азотной кислотой продуктом ее восстановления является преимущественно NO2, независимо от природы металла.
Mg + 4HNO3(конц.) = Mg(NO3)2 + NO2 +2H2O
При реакции выделяется бурый газ NO2
Zn + 4HNO3(конц.) = Zn(NO3)2 + NO2 +2H2O
Cu + 4HNO3(конц.) = Cu(NO3)2 + NO2 +2H2O
При опускании кусочка меди в концентрированную азотную кислоту выделяется бурый газ, а на дне образуется голубой раствор нитрата меди(II)
Металлы переменной валентности при взаимодействии с концентрированной азотной кислотой окисляются до высшей степени окисления, а металлы, которые окисляются до степени окисления +4 и выше, образуют кислоты или оксиды.
Sn + 4HNO3(конц.) = H2SnO3 + 4NO2 +H2O
2Sb + 10HNO3(конц.) = Sb2O5 + 10NO2 +5H2O
Mo + 6HNO3(конц.) = H2MoO4 + 6NO2 +2H2O
В концентрированной азотной кислоте пассивируются Al, Fe, Cr, Ni, Со и некоторые другие металлы. После обработки азотной кислотой эти металлы не реагируют и с другими кислотами.
При взаимодействии металлов с разбавленной азотной кислотой продукт ее восстановления зависит от активности металла: чем активнее металл, тем в большей степени восстанавливается азотная кислота.
Активные металлы восстанавливают азотную кислоту максимально.
8Na + 10HNO3(разб.) = 8КNO3 + NH4NO3 +3H2O
Продуктами восстановления разбавленной азотной кислоты металлами средней активности являются азот или оксид азота(I).
4Cd + 10HNO3(разб.) = 4Cd(NO3)2 + N2O +5H2O
5Mn + 12HNO3(разб.) = 5Mn(NO3)2 + N2 +6H2O
При взаимодействии разбавленной азотной кислоты с малоактивными металлами продуктом восстановления является оксид азота(II).
3Cu + 8HNO3(разб.) = 3Cu(NO3)2 + 2NO +4H2O
Надо обратить внимание, что при реакции с азотной кислотой получается смесь соединений азота, но мы записываем то соединение, которое получается в большем количестве.
Основное правило: чем выше активность металла и ниже концентрация азотной кислоты, тем ниже степень окисления азота в том соединении, которое образуется больше других.
Для окисления золота, платины и других благородных металловиспользуется смесь концентрированных азотной и соляной кислот, называемая«царской водкой». В этой смеси образуется очень сильный окислитель - атомарный хлор:
HNO3+ 3HCl=NOCl+Cl2+ 2H2O
NOCl=NO+Cl
и повышается восстановительная активность металлов вследствие образования комплексов, поэтому окисление благородных металлов происходит с образованием комплексных кислот:
Au + HNO3 + 4HCl = H[AuCl4] + NO + 2H2O
3Pt + 2HNO3 + 12HCl = 3H2[PtCl4] + 2NO + 4H2O
Некоторые металлы Nb, Ta, W не растворяются даже в «царской водке», но растворяются в смеси азотной и фтороводородной кислот.
3Ta + 5HNO3 + 21HF = 3H2TaF7 + 5NO + 10H2O
W + 2HNO3 + 8HF = H2WF8 + 2NO + 4H2O