Основные классы неорганических соединений (часть II: кислоты, соли)

Цель работы: усвоение классификации и взаимосвязи между основными классами неорганических соединений; получение неорганических соединений и изучение их свойств.

Оборудование и реактивы: спиртовка, штатив с бюреткой, держатель для пробирок, пинцет, шпатели, фильтровальная бумага, пробирки, колбочка на 50 мл, пипетки, стеклянная трубочка, фарфоровая чашка, индикаторы: фенолфталеин и метиловый оранжевый, дистиллированная вода, кристаллический ацетат натрия, металлический цинк, 0,5н. растворы CuSO₄,, CoCl₂, FeCl₃, Na₂SO₄, NaCl, Pb(NO₃)₂ или Pb(CH₃COO)₂, 2н. растворы NaOH, H₂SO₄, HCl, 30% раствор NaOH, 10% раствор NH₄OH, известковая вода.

4.1 Теоретические пояснения

Кислотные гидроксиды – это кислородсодержащие кислоты, в состав которых входят гидроксильные группы:

H₂SO₄                                                            HNO₃                                                  H₂CO₃

Кислотные гидроксиды диссоциируют в воде с образованием в качестве катионов только ионов водорода Н⁺, взаимодействуют с основаниями и основными оксидами с образованием солей.

Следует отметить, что понятие кислоты шире, чем понятие кислотного гидроксида, так как существуют и бескислородные кислоты, например, HCl, HF, H₂S, HCN и другие.

В номенклатуре кислотных гидроксидов (кислот) используются как тривиальные, так и систематические названия. Последние полностью отражают состав соединения и даются по правилам составления названий комплексных соединений. Систематические названия рекомендуется давать лишь малораспространенным кислотам, образованным элементами с переменной степенью окисления. Например, H₆TeO₆ – гексаоксотеллурат (VI) водорода. Однако серную кислоту вовсе не требуется называть тетраоксосульфат (VI) водорода, за ней сохраняется традиционное название.

При взаимодействии между собой гидроксидов и оксидов, с различными кислотно-основными свойствами, образуются соли. Соли по составу подразделяются на простые, двойные, смешанные и комплексные.

Двойные соли образованы двумя различными катионами и одним анионом. Например, KAl(SO₄)₂ – сульфат алюминия-калия.

Смешанные соли образованы несколькими различными анионами (кислотными остатками) и одним катионом. Например, Ca(ClO)Cl – хлорид-гипохлорит кальция или хлорная известь.

Комплексные соли содержат в своем составе сложные комплексные ионы, которые в химических реакциях, процессах растворения, в структуре кристалла ведут себя как самостоятельные единицы. Например, K₄[Fe(CN)₆] гексацианоферрат (II) калия диссоциирует в воде на ионы в соответствии с уравнением

K₄[Fe(CN)₆] 4K⁺ + [Fe(CN)₆] ^4-.

Комплексный анион практически не диссоциирует в водном растворе, поэтому Fe²⁺ не обнаруживается качественными реакциями.

Простые соли по характеру замещения подразделяются на средние (нормальные), кислые и основные.

Средние соли, например, CuSO₄, Na₂CO₃ и другие, являются продуктами полного замещения ионов водорода в кислоте на другие катионы или продуктами полного замещения гидроксильных групп в основании на кислотные остатки.

Перечислим некоторые основные способы образования средних солей:

˗ взаимодействие металлов с кислотами

Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂­;

˗ взаимодействие металлов, оксиды которых амфотерны, со щелочами

Zn + 2NaOH + 2H₂O = Na₂[Zn(OH)₄] + H₂­;

˗ взаимодействие основания с кислотой

NaOH + HCl = NaCl + H₂O;

˗ взаимодействие основания с кислотным оксидом

Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃¯ + H₂O;

˗ взаимодействие кислоты с основным оксидом

CaO + 2HCl = CaCl₂ + H₂O;

˗ взаимодействие кислоты с солью (более сильная кислота вытесняет более слабую, летучую, разлагающуюся или выпадающую в осадок кислоту из ее соли)

2CH₃COONa + H₂SO₄ = 2CH₃COOH + Na₂SO₄;

˗ взаимодействие растворимого основания с солью

FeCl₃ + 3NaOH = Fe(OH)₃¯ + 3NaCl;

˗ взаимодействие между солями

NaCl + AgNO₃ = AgCl¯ + NaNO₃;

˗ взаимодействие солей с металлами

CuSO₄ + Zn = Cu¯ + ZnSO₄;

˗ взаимодействие основных и кислотных оксидов

SO₃ + CaO = CaSO₄;

˗ взаимодействие металлов с неметаллами

2Fe + 3Cl₂ = 2FeCl₃.

Кислые соли можно рассматривать как продукты неполного замещения ионов водорода в двух- или более основной кислоте на другие катионы. Кислые соли получаются при взаимодействии кислоты или кислотного оксида с недостатком основания, либо взаимодействием средней соли с кислотой или кислотным оксидом.

H₂SO₄ + NaOH = NaHSO₄ + H₂O;     CO₂ + KOH = KHCO₃;

Ca₃(PO₄)₂ + H₃PO₄ = 3CaHPO₄;        CaCO₃ + CO₂ + H₂O = Ca(HCO₃)₂.

Так как в анионе кислой соли содержится подвижный водород, то она частично сохраняет свойства кислоты и может вступать в реакцию нейтрализации с основаниями.

NaHSO₄ + NaOH = Na₂SO₄  + H₂O.

Основные соли можно рассматривать как продукты неполного замещения ОН – групп в многокислотных основаниях на кислотные остатки. Эти соли получаются при взаимодействии основания с недостатком кислоты или средней соли с основанием.

Mg(OH)₂ + HCl = MgOHCl + H₂O;

CoCl₂ + NaOH = CoOHCl¯ + NaCl.

Так как в состав основных солей входят гидроксильные группы, то эти соли могут взаимодействовать с кислотами с образованием средних солей. Таким образом, основные соли частично сохраняют свойства оснований.

MgOHCl + HCl = MgCl₂ + H₂O

Систематические названия солей связаны с систематическими названиями соответствующих кислот. Традиционные названия солей кислородсодержащих кислот составляются из названия аниона в именительном падеже и катиона в родительном падеже. Название аниона включает корень русского или латинского названия кислотообразующего элемента с добавлением суффикса, соответствующего степени окисления элемента. При этом возможны следующие случаи:

˗ если кислотообразующий элемент имеет только одну степень окисления, то добавляется суффикс –ат ( Na₂CO₃ – карбонат натрия);

˗ если кислотообразующий элемент имеет две степени окисления, то при высшей из них к корню добавляется суффикс –ат, а при низшей степени окисления добавляется суффикс –ит (CaSO₄ – сульфат кальция, Na₂SO₃ – cульфит натрия);

˗ если имеются анионы, отвечающие четырем степеням окисления кислотообразующего элемента, то для высшей степени окисления используется приставка пер- и суффикс -ат (КCl⁺⁷O₄ – перхлорат калия), затем суффикс –ат (KCl⁺⁵O₃ – хлорат калия), суффикс –ит (KCl⁺³O₂ – хлорит калия) и для наименьшей степени окисления – приставка  гипо- и суффикс –ит (KCl⁺¹O – гипохлорит калия);

˗ в названиях анионов солей бескислородных кислот используется суффикс –ид (K₂S – сульфид калия);

˗ при построении традиционных названий кислых солей к названию аниона средней соли добавляется приставка гидро- и числовая греческая приставка, если число атомов водорода в анионе больше одного (Ca(H₂PO₄)₂ – дигидрофосфат кальция, Ca(HCO₃)₂ – гидрокарбонат кальция);

˗ традиционные названия основных солей формируются при помощи приставки гидроксо- и при необходимости соответствующей числительной приставки ((CuOH)₂CO₃ – карбонат гидроксомеди (II)).

Методика проведения опытов

4.2.1 Кислоты

4.2.1.1 Опыт №1. Получение кислоты при взаимодействии соли с кислотой

Поместить в пробирку небольшое количество ацетата натрия и прибавить к нему 3 – 4 капли раствора серной кислоты. Отметить характерный запах. Какая кислота образуется? Написать уравнение реакции.

4.2.1.2 Опыт №2. Взаимодействие кислот с металлами

В пробирку поместить небольшой кусочек цинка. Добавить 1 – 2 мл соляной кислоты. Объяснить наблюдения, записать уравнения реакции.

4.2.2 Соли, их получение и свойства

4.2.2.1 Опыт №3. Получение средней соли реакцией нейтрализации

Налить в колбочку на 50 мл 3 мл 0,5 н раствора гидроксида натрия и прибавить одну каплю индикатора метилового оранжевого. Затем добавлять по каплям при перемешивании 0,5 н раствор соляной кислоты. Кислоту приливать до изменения цвета индикатора из желтого в оранжевый. Объясните изменение окраски индикатора. Какую реакцию среды будет иметь раствор в момент изменения окраски? Написать уравнение реакции.

4.2.2.2 Опыт №4. Получение основных солей

Налить в пробирку 2 мл раствора сульфата меди (II), добавить несколько капель раствора гидроксида аммония. Выпадает зеленовато-голубой осадок основной соли (CuOH)₂SO₄. Написать уравнение реакции.

Налить в пробирку 2 мл раствора хлорида кобальта (II), прибавить несколько капель 2 н раствора щелочи. В пробирке образуется синий осадок основной соли. При добавлении избытка щелочи образуется розовый осадок гидроксида кобальта (II). Написать уравнения реакций.

4.2.2.3 Опыт №5. Получение солей взаимодействием нерастворимого основания с кислотой

К 2 мл раствора хлорида железа (III) прибавить раствор гидроксида натрия до образования осадка. К осадку прибавить по каплям раствор соляной кислоты. Объяснить наблюдаемые явления, написать уравнения реакций.

4.2.2.4 Опыт №6. Получение солей взаимодействием солей с металлами

В две пробирки с растворами сульфата меди (II) и сульфата натрия поместить по небольшому кусочку цинка. Что наблюдается? Объяснить различное отношение растворов солей к цинку. Написать уравнение реакции.

4.2.2.5 Опыт №7. Получение солей взаимодействием двух солей

В пробирку, содержащую 1 мл раствора нитрата или ацетата свинца добавить раствор хлорида натрия до образования осадка. Написать уравнение реакции.

4.2.2.6 Опыт №8. Получение кислых солей

Через раствор гидроксида кальция (известковая вода) пропустить углекислый газ из аппарата Киппа. Наблюдать образование осадка средней соли, а затем его растворение вследствие образования кислой соли. Написать уравнения реакций. К прозрачному раствору добавить известковой воды до образования осадка. Написать уравнение реакции.

4.3 Требования к уровню подготовки студентов

˗ Знать номенклатуру основных классов неорганических соединений.

˗ Знать классификацию и взаимосвязь между основными классами неорганических соединений, способы их получения и свойства.

˗ Уметь составлять химические формулы по названию вещества и давать название веществу по его химической формуле.

˗ Уметь писать уравнения реакций, отражающих химические свойства кислот и солей. Знать условия, при которых реакции ионного обмена протекают до конца.

4.4 Задания для самоконтроля

4.4.1 Какие из ниже перечисленных веществ будут попарно взаимодействовать друг с другом? Написать уравнения реакций.

а) Na[Al(OH)₄]; HCl; CuO; KOH

б) MgOHCl; NaOH; HCl; AgNO₃

в) CO₂; NaHCO₃; H₂SO₄; NaOH

г) Al; HCl; KOH; CuSO₄

4.4.2 Осуществить превращения:

а) P ® P₂O₅® H₃PO₄ ® Ca₃(PO₄)₂ ® Ca(H₂PO₄)₂

б) Ca(HCO₃)₂ ® CaCO₃ ® CaO ® CaCl₂ ® CaCO₃

в) Fe ® FeCl₂ ® Fe(OH)₂ ® Fe(OH)₃ ® [Fe(OH)₂]₂SO₄

4.4.3 Получить всеми известными вам способами следующие соли:

Al₂(SO₄)₃; KHCO₃; CuOHNO₃.

4.4.4 Друг с другом в водном растворе будут взаимодействовать:

а) Fe и Pb(NO₃)₂;               б) Ca(HCO₃)₂ и NaOH;

в) Ca(HCO₃)₂ и CO₂;         г) Na₂SO₄ и H₃PO₄.

А) а, г;            B) б, г;            C) а, г;            D) а,б

4.4.5 Выберите вариант с правильными названиями соединений, соответствующих формулам Ca(HCO₃)₂ и Na₂S₂O₃:

а) дигидрокарбонат кальция, дисульфат натрия;

б) гидрокарбонат кальция, дисульфит натрия;

в) дигидрокарбонат кальция тиосульфат натрия;

г) гидрокарбонат кальция, тиосульфат натрия.

4.4.6 Какие из перечисленных кислот могут образовывать кислые соли:

a)H₂SO₄; б) H₂S; в) HClO₄; г) H₂CO₃; д) HNO₃; е) HCl?

4.4.7 Сколько формул основных солей представлено в списке: K[Al(OH)₄]; Fe(OH)₃; [Al(OH)₂]₂SO₄; (CuOH)₂CO₃; Ca(HCO₃)₂; K₃[Fe(CN)₆]; CaSO₄?

4.4.8 Выберите вариант с правильными названиями соединений, соответствующих формулам (Fe(OH)₂)₂SO₄ и NaClO.

а) сульфат дигидроксожелеза (II), гипохлорит натрия;

б) сульфат гидроксожелеза (III), хлорит натрия;

в) сульфат дигидроксожелеза (III), гипохлорит натрия;

г) сульфат дигидроксожелеза (II), хлорат натрия.

4.5 Список рекомендуемой литературы

4.5.1 Глинка Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии: Учебное пособие для вузов/ Под ред. В.А.Рабиновича и Х.М.Рубиной. – М.: Интеграл-Пресс,
2008. – 240 с.

Лабораторная работа №5