ХИМИЯ 10

Это, например, гидроксиды щелочных (Li, Na, K, Rb, Cs) и щёлочноземельных (Ca, Sr, Ba) металлов, относящиеся к щелочам:

Основные гидроксиды других металлов, например Fe(OH)2, Cr(OH)2, Bi(OH)3, можно получить взаимодействием солей указанных металлов со щелочами.

Практически все кислотные гидроксиды (кислородсодержащие кислоты), кроме H2SiO3, образуются при гидратации соответствующих кислотных оксидов:

Так можно получить кислотные гидроксиды неметаллов и некоторых металлов, например:

Амфотерные гидроксиды, к примеру такие, как Al(OH)3, Cr(OH)3, Zn(OH)2, нельзя получить гидратацией соответствующих оксидов. Они образуются при взаимодействии солей указанных металлов со щелочами.

Таким образом, основные, кислотные и амфотерные гидроксиды являются гидратами соответствующих оксидов:

NaOH — гидроксид натрия — гидрат оксида натрия;

H2SO4 — гидроксид серы(VI), или серная кислота, — гидрат оксида

серы(VI);

Al(OH)3 — гидроксид алюминия — гидрат оксида алюминия.

К названию «гидроксид натрия» вы уже привыкли, а вот название «гидроксид серы(VI)», скорее всего, кажется вам необычным, ведь вещество с формулой H2SO4 мы всегда называем «серная кислота». Дело в том, что уже давно все кислотные гидроксиды традиционно называются кислотами. Например, вещество H2SiO3 чаще называют не гидроксидом кремния(IV), а кремниевой кислотой; вещество H3PO4 — не гидроксидом фосфора(V), а фосфорной кислотой.

Кислоты (кислотные гидроксиды)

Кислоты — сложные вещества, в состав которых входят атомы водорода, способные замещаться атомами металлов, и кислотные остатки.

Традиционные русские названия кислот состоят из двух слов. Первое из них — прилагательное, образованное корнем русского названия кислотообразующего элемента, суффиксом -н- или -ист- и окончанием -ая. Второе слово — «кислота». Если степень окисления атомов кислотообразующего элемента максимальна (т. е. равна номеру группы А), то в названиях кислот присутствует суф-

фикс -н-, -ов- или -ев-: H3PO4 — фосфорная, H2CrO4 — хромовая, H2SiO3 — кремниевая кислоты. Если же степень окисления указанных атомов меньше

максимальной, то используются суффиксы -ист-, -оват- и -оватист-: H3PO3 — фосфористая, HСlO3 — хлорноватая, HBrO — бромноватистая кислоты.

Число атомов водорода в формулах кислот называется их основностью. В соответствии с этим HNO3 — одноосновная, H2SO4 — двухосновная, H3PO4 — трёхосновная кислоты.

Все кислоты — вещества молекулярного строения. Некоторые из них, например угольная и сернистая кислоты (H2CO3, H2SO3), в виде индивидуальных веществ неизвестны и существуют только в водных растворах, т. е. в смесях с водой. Другие кислоты существуют в безводном состоянии и при комнатной температуре представляют собой жидкости (H2SO4, HNO3) или твёрдые вещества (H3PO4, H2SiO3). Большинство кислот хорошо растворимы в воде.

Важнейшее химическое свойство всех кислородсодержащих кислот — способность образовывать соли при взаимодействии с основаниями и с основными оксидами. Например:

H2SO4 + Fe(OH)2 = FeSO4 + 2H2O;

2HNO3 + CaO = Ca(NO3)2 + H2O.

Многие кислородсодержащие кислоты вступают в реакции с солями: H2SO4 + BaCl2 = BaSO4↓ + 2HCl;

2HNO3 + MgCO3 = Mg(NO3)2 + H2O + CO2↑.

Кроме того, указанные кислоты (кроме HNO3) реагируют с металлами, расположенными в ряду активности левее H2, с образованием водорода и солей:

H2SO4 + Fe = H2↑ + FeSO4.

При отщеплении ионов водорода от молекул кислот образуются отрицательно заряженные кислотные остатки. Их общее число совпадает с основно-

стью кислоты. Например, трёхосновной фосфорной кислоте соответствуют три кислотных остатка — (H2PO4)–, (HPO4)2– и (PO4)3–.

Основания

Основания — сложные вещества, состоящие из атомов металлов и гидроксогрупп ОН.

Напомним, что заряд группы ОН равен 1–:

Названия оснований состоят из двух слов, первое из которых — «гидроксид», а второе — русское название металла в родительном падеже. Например:

NaOH — гидроксид натрия; Mg(OH)2 — гидроксид магния.

Число групп ОН в формулах оснований называется их кислотностью. В соответствии с этим KOH — однокислотное, Ba(OH)2 — двухкислотное, Fe(OH)3 — трёхкислотное основания.

Все основания — твёрдые вещества немолекулярного строения. Некоторые из них, например NaOH, KOH, Ba(OH)2, растворимы в воде и имеют общее название — щёлочи.

Важнейшее химическое свойство оснований — способность образовывать соли при взаимодействии с кислотами и кислотными оксидами. Например:

NaOH + HCl = NaCl + H2O;

Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3↓ + H2O.

Кроме того, растворимые основания (щёлочи) реагируют с солями. Например:

2KOH + CuSO4 = K2SO4 + Cu(OH)2↓;

Ba(OH)2 + Na2CO3 = BaCO3↓ + 2NaOH.

Нерастворимые основания при нагревании разлагаются с образованием соответствующих оксидов металлов и воды:

2Fe(OH)3 =t Fe2O3 + 3H2O;

Cu(OH)2 =t CuO + H2O.

Соли

Соли можно рассматривать как продукты замещения атомов водорода в кислотах металлами или групп ОН в основаниях кислотными остатка-

ми. В зависимости от степени замещения атомов водорода в молекулах кислот или гидроксогрупп ОН в формульных единицах оснований соли классифицируются следующим образом (см. рис. 2).

Название любой соли на русском языке состоит из двух слов, первое из которых — систематическое название кислотного остатка в именительном паде-

Рис. 2. Схема образования и классификации солей

же, а второе — русское название основного остатка в родительном падеже. Примеры названий:

+2

•• средних солей: FeSO4 — сульфат железа(II); Zn(NO3)2 — нитрат цинка;

•• кислых солей: Mg(HCO3)2 — гидрокарбонат магния; Ca(H2PO4)2 — дигидрофосфат кальция;

•• основных солей: (ZnOH)2SO4 — сульфат гидроксоцинка; Al(OH)2NO3 —

нитрат дигидроксоалюминия.

Все соли — твёрдые кристаллические вещества немолекулярного строения, большинство из них хорошо растворимы в воде.

Важнейшие химические свойства солей — их взаимодействие с кислотами, щелочами, металлами, другими солями. Например:

K2S + 2HСl = 2KCl + H2S↑;

Fe(NO3)3 + 3NaOH = Fe(OH)3↓ + 3NaNO3; 3CuCl2 + 2Al = 3Cu↓ + 2AlCl3;

NaCl + AgNO3 = NaNO3 + AgCl↓.

Комплексные соединения

Некоторые сложные вещества разных классов, соединяясь друг с другом, образуют особые, ещё более сложные соединения, называемые комплексными (от лат. complexus — сочетание). Они принадлежат к отдельному классу веществ, обладают рядом общих свойств и имеют сходные черты в строении. В любом таком соединении содержатся комплексные частицы, образующиеся чаще всего в результате присоединения к атому металла двух, четырёх или шести молекул воды, аммиака, гидроксид-ионов или кислотных остатков. Заряженные или электронейтральные комплексные частицы устойчивы и существуют в растворах самостоятельно. В формулах комплексных соединений они выделяются квадратными скобками. Например:

Na2[Zn(OH)4]; K3[Al(OH)6].

Многоэлементные соединения состоят из атомов трёх или большего числа элементов. К многоэлементным относятся гидроксиды — основания и кислородсодержащие кислоты, соли, комплексные соединения.

Вопросы и задания

1.Напишите формулы гидроксидов, которые соответствуют следующим оксидам:

SO2, K2O, N2O5, SrO, Cl2O7, Cs2O, SiO2, Al2O3. Назовите эти гидроксиды и охарактеризуйте их кислотно-основные свойства.

2.Сколько разных солей может образоваться при взаимодействии гидроксида натрия с серной кислотой, гидроксида калия с фосфорной кислотой? Напишите уравнения соответствующих реакций, назовите соли.

3.Сколько разных солей может образоваться при взаимодействии гидроксида кальция с соляной кислотой, гидроксида алюминия с азотной кислотой? Напишите уравнения соответствующих реакций, назовите соли.

4.Образец оксида кальция массой 11,2 г полностью вступил в реакцию с водой. Рассчитайте химическое количество прореагировавшей воды и массу образовавшегося основания.

5.Оксид серы(VI) массой 16 г полностью прореагировал с водой. Рассчитайте число молекул образовавшейся серной кислоты и массу гидроксида натрия, необходимого для её нейтрализации.

6.Рассчитайте массовую долю (%) кислорода в средней соли, образующейся при взаимодействии гидроксидов кальция и фосфора(V).

7.Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

а) HNO3 → Ca(NO3)2 → CaCO3 → CaCl2 → AgCl;

б) CH4 → CO2 → Na2CO3 → BaCO3 → Ba(NO3)2 → BaSO4.

Взаимосвязи веществ лежат в основе многих химических превращений, происходящих в природе и используемых в практической деятельности.

Простые вещества, оксиды, гидроксиды и соли связаны между собой совокупностью превращений в следующих рядах:

металл → основный оксид → основание → соль;

неметалл → кислотный оксид → кислота → соль.

Вещества, принадлежащие к одному ряду, друг с другом не реа-

гируют. Вещества, принадлежащие к рядам разных типов, реагируют между собой с образованием солей.

Вопросы и задания

1.С веществами каких классов реагируют: а) оксид бария; б) оксид фосфора(V); в) гидроксид натрия; г) азотная кислота? Напишите уравнения соответствующих реакций, назовите вещества.

2.Приведите конкретные примеры взаимопревращений веществ разных классов, напишите уравнения соответствующих реакций и назовите вещества.

3.Напишите уравнения реакций образования нитрата кальция в результате взаимодействия: а) кислоты и основания; б) кислотного оксида и основания; в) кислоты и основного оксида; г) соли и кислоты; д) соли и основания; е) двух солей. Назовите все вещества.

4.Составьте генетический ряд цинка и его соединений, заканчивающийся нитратом цинка. Напишите уравнения соответствующих реакций, определите их типы, назовите вещества.

5.Определите простые вещества Х, Y и Z, которыми начинаются генетические ряды: а) Х → оксид → основание → нитрат кальция;

б) Y → оксид → кислотный гидроксид → фосфат кальция; в) Z → кислотный оксид → гидроксид → сульфит натрия.

Напишите уравнения соответствующих реакций, назовите все вещества.

6.* Смесь алюминия и железа общей массой 22 г растворили в соляной кислоте,

врезультате чего выделился газ объёмом (н. у.) 17,92 дм3. Вычислите массовую долю железа в смеси.

7.Составьте уравнения реакций, иллюстрирующие следующие превращения:

а) Al → AlCl3 → Al(OH)3 → Al2O3 → Al2(SO4)3;

б) Fe → Fe2O3 → Fe(NO3)3 → Fe(OH)3 → Fe2(SO4)3; в) Сl2 → HCl → CaCl2 → CaCO3 → Ca(NO3)2;

г) HNO3 → Cu(NO3)2 → Cu(OH)2 → CuO → CuSO4.

Глава II

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

ИЗАКОНЫ ХИМИИ

§4. Вещества. Атомы. Химические элементы

Химия так же, как и физика, ботаника, зоология, геология, изучает природу, материальный мир во всём многообразии форм его существования и происходящих явлений.

Все явления в природе и окружающем мире можно разделить на две группы. К первой из них относятся самые разнообразные взаимодействия и изме-

нения тел, при которых меняется только физическое состояние веществ и

форма физических тел, образованных этими веществами, а также положение тел в пространстве.

Ко второй группе относятся явления, связанные с превращениями веществ, т. е. с изменением их качественного и количественного состава, строения, физических и химических свойств. Именно эти явления изучает химия.

Химия — это наука о веществах и их превращениях.

Что же такое вещество? Какой физический и химический смысл этого понятия?

Физический смысл понятия «вещество»

Из курса физики вы уже знаете, что материя — это объективная реаль-

ность, т. е. то, что существует независимо от нашего сознания и воспринимается нами с помощью органов чувств или с помощью приборов.

Все разнообразные формы существования материи делятся на два вида: ве-

щество и поле.