ЕГЭ · Химия · Классы неорганических веществ и их свойства
Свойства оксидов и гидроксидов. Амфотерность
Кто с кем реагирует: основные оксиды с кислотами, кислотные — со щелочами, амфотерные — и туда, и сюда.
🎯 ЕГЭ химия: этот урок закрывает задание(я) 5, 6, 7.
- ⚠Забывают, что амфотерный гидроксид растворяется в избытке щёлочи с образованием гидроксокомплекса (Na[Al(OH)₄])
- ⚠Считают, что кислотный оксид реагирует с кислотой (он реагирует со щёлочью и основным оксидом)
- ⚠Думают, что основные оксиды металлов после Al реагируют с водой напрямую
Реакции оксидов
Главное правило: реагируют противоположности
Вся таблица «что с чем реагирует» выводится из одной мысли: кислотное соединяется с основным. Похожее с похожим — не реагирует. Если держать это в голове, запоминать девять отдельных строк не придётся.
Основный оксид (например, CaO) — представитель «основной» стороны. Значит, он реагирует:
- • с кислотами: CaO + 2HCl = CaCl₂ + H₂O;
- • с кислотными оксидами: CaO + CO₂ = CaCO₃;
- • с водой — но только если получается растворимое основание, то есть щёлочь. Это выполняется лишь для щелочных и щелочноземельных металлов: Na₂O + H₂O = 2NaOH, CaO + H₂O = Ca(OH)₂. А CuO или Fe₂O₃ с водой не реагируют: соответствующие им гидроксиды нерастворимы, и реакции просто некуда идти.
Кислотный оксид (например, SO₃) — представитель «кислотной» стороны, поэтому он реагирует:
- • со щелочами: SO₃ + 2NaOH = Na₂SO₄ + H₂O;
- • с основными оксидами: SO₃ + CaO = CaSO₄;
- • с водой, давая кислоту: SO₃ + H₂O = H₂SO₄, SO₂ + H₂O ⇌ H₂SO₃, P₂O₅ + 3H₂O = 2H₃PO₄. Исключение, которое спрашивают постоянно: SiO₂ с водой не реагирует — кремниевая кислота нерастворима, и получить её так нельзя.
Чего не бывает. Основный оксид не реагирует с основанием, кислотный не реагирует с кислотой, два основных оксида друг с другом не реагируют. Половина неверных вариантов в задании 7 построена именно на этом: вам предлагают набор, где вещество должно реагировать со «своим» по характеру.
Несолеобразующие оксиды (CO, NO, N₂O, SiO) не реагируют ни с кислотами, ни со щелочами — им нечего с ними образовывать. Но CO при этом сильный восстановитель и отнимает кислород у оксидов металлов: Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂. Это другое свойство, не кислотно-основное.
Амфотерность: одно вещество с двумя ролями
Амфотерный — значит «и то и другое». Такое вещество реагирует и с кислотой (тогда оно играет роль основания), и со щёлочью (тогда оно играет роль кислоты).
Запомнить список проще, чем выводить: Be, Zn, Al, а также Cr(III), Fe(III), Pb, Sn. Мнемоника рабочая: «увидел цинк, алюминий или бериллий — думай про амфотерность».
Покажем на гидроксиде цинка обе роли:
- как основание: Zn(OH)₂ + H₂SO₄ = ZnSO₄ + 2H₂O; - как кислота: Zn(OH)₂ + 2NaOH = Na₂[Zn(OH)₄].
Второе уравнение требует разбора, потому что именно на нём теряют баллы в части 2.
Условие решает всё. Один и тот же амфотерный гидроксид даёт со щёлочью разные продукты в зависимости от того, идёт реакция в растворе или при сплавлении.
- В растворе образуется гидроксокомплекс: Al(OH)₃ + NaOH = Na[Al(OH)₄], Zn(OH)₂ + 2NaOH = Na₂[Zn(OH)₄]. Комплекс растворим, поэтому осадок исчезает. - При сплавлении (твёрдая щёлочь, нагрев) вода уходит, и получается обычная соль: Al(OH)₃ + NaOH = NaAlO₂ + 2H₂O, Zn(OH)₂ + 2NaOH = Na₂ZnO₂ + 2H₂O.
Оксиды ведут себя так же: Al₂O₃ + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂O и Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O = 2Na[Al(OH)₄] в растворе.
Как это выглядит в пробирке — а именно так спрашивают в задании 6. К раствору соли алюминия по каплям добавляют щёлочь: сначала выпадает белый студенистый осадок Al(OH)₃, а при дальнейшем добавлении щёлочи он растворяется — образовался комплекс. Осадок, который появился и исчез, — почти верный признак амфотерного гидроксида. Если бы вместо алюминия была медь, осадок Cu(OH)₂ остался бы: медь не амфотерна.
Основания и кислоты: свойства и способы получения
Щёлочи (растворимые основания) реагируют:
- • с кислотами — реакция нейтрализации: NaOH + HCl = NaCl + H₂O;
- • с кислотными оксидами: Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃↓ + H₂O (та самая «мутнеющая известковая вода», которой обнаруживают углекислый газ);
- • с растворами солей, если выпадает осадок: CuSO₄ + 2NaOH = Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄;
- • с амфотерными оксидами и гидроксидами.
Нерастворимые основания в растворе почти ни с чем не реагируют, кроме кислот, зато разлагаются при нагревании: Cu(OH)₂ = CuO + H₂O (голубой осадок чернеет). Щёлочи, наоборот, при нагревании устойчивы — это различение любят проверять.
Получение оснований зависит от растворимости, и это важно для цепочек в задании 9:
- щёлочь получают действием воды на металл или на его оксид: 2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂↑, CaO + H₂O = Ca(OH)₂; - нерастворимое основание так получить нельзя — только обменной реакцией соли со щёлочью: FeCl₃ + 3NaOH = Fe(OH)₃↓ + 3NaCl.
Кислоты реагируют:
- • с металлами до водорода в ряду активности: Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂↑;
- • с основными и амфотерными оксидами;
- • с основаниями — нейтрализация;
- • с солями, если получается осадок, газ или слабый электролит: Na₂CO₃ + 2HCl = 2NaCl + H₂O + CO₂↑.
Последний пункт объясняет, почему сильная кислота вытесняет слабую: продукты реакции уходят из раствора — газ улетает, осадок выпадает, — и обратного хода нет. Соляная кислота вытесняет угольную не потому, что «сильнее по определению», а потому, что угольная тут же распадается на воду и улетающий CO₂.
Кислотный оксид тоже способен вытеснить другой — по тому же принципу: Na₂SiO₃ + CO₂ + H₂O = Na₂CO₃ + H₂SiO₃↓. Здесь уходит осадок кремниевой кислоты.
Основные и кислотные оксиды
- • кислотами: CaO + 2HCl
- • кислотными оксидами: CaO + CO₂
- • водой (только щел./щёлочнозем.): Na₂O + H₂O
- • щелочами: SO₃ + 2NaOH
- • основными оксидами: SO₃ + CaO
- • водой (SiO₂ — не реагирует)
Определение
Амфотерность — ZnO, Al₂O₃, Zn(OH)₂, Al(OH)₃, Cr(OH)₃ реагируют и с кислотами (как основание), и со щелочами (как кислота).
| В растворе | → гидроксокомплекс: Zn(OH)₂ + 2NaOH = Na₂[Zn(OH)₄] |
|---|---|
| При сплавлении | → обычная соль: Zn(OH)₂ + 2NaOH(тв) = Na₂ZnO₂ + 2H₂O |
Откуда берутся оксиды и гидроксиды
Для цепочек превращений мало знать свойства — надо знать и способы получения. Их немного, и они логичны.
Оксиды получают:
- • горением простого вещества: S + O₂ = SO₂, 4P + 5O₂ = 2P₂O₅, 2Ca + O₂ = 2CaO;
- • разложением нерастворимого основания при нагревании: Cu(OH)₂ = CuO + H₂O;
- • разложением карбоната при нагревании: CaCO₃ = CaO + CO₂↑ (промышленный обжиг известняка);
- • разложением кислоты, если она непрочная: H₂SiO₃ = SiO₂ + H₂O.
Щёлочи получают двумя прямыми путями: активный металл с водой (2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂↑) или его оксид с водой (CaO + H₂O = Ca(OH)₂, гашение извести). В промышленности щёлочь получают электролизом раствора поваренной соли.
Нерастворимые основания так получить нельзя — только обменной реакцией соли со щёлочью: CuSO₄ + 2NaOH = Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄, FeCl₃ + 3NaOH = Fe(OH)₃↓ + 3NaCl. Это ключевая развилка в задании 9: путь к нерастворимому гидроксиду всегда идёт через растворимую соль.
Кислоты получают:
- • кислотный оксид с водой: SO₃ + H₂O = H₂SO₄ (кроме SiO₂);
- • вытеснением из соли более сильной кислотой: Na₂SiO₃ + 2HCl = 2NaCl + H₂SiO₃↓;
- • синтезом из простых веществ для бескислородных: H₂ + Cl₂ = 2HCl.
Правило, объясняющее вытеснение. Реакция идёт, если продукт уходит из сферы реакции: выпадает осадком, улетает газом или оказывается слабым электролитом. Поэтому соляная кислота вытесняет угольную (CO₂ улетает), а серная вытесняет соляную из твёрдого хлорида при нагревании (HCl улетает). Дело не в титуле «сильная кислота», а в том, что обратного хода у реакции нет.
Условие реакции критично: со щёлочью в растворе амфотерный гидроксид даёт комплекс (Na[Al(OH)₄]), а при сплавлении — обычную соль (NaAlO₂). За это снимают баллы в части 2. «Противоположности притягиваются»: основное ↔ кислотное.
Получение оксидов, оснований, кислот и солей
Для цепочек превращений мало знать свойства — надо знать и способы получения каждого класса. Соберём их системно.
Оксиды получают:
- • горением простых веществ: 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃, S + O₂ → SO₂;
- • разложением нерастворимых гидроксидов: Cu(OH)₂ →(t) CuO + H₂O; карбонатов: CaCO₃ →(t) CaO + CO₂↑; нитратов средних металлов: 2Cu(NO₃)₂ →(t) 2CuO + 4NO₂ + O₂;
- • обжигом сульфидов: 2ZnS + 3O₂ →(t) 2ZnO + 2SO₂.
Щёлочи получают:
- взаимодействием активного металла или его оксида с водой: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑; CaO + H₂O → Ca(OH)₂; - электролизом растворов солей: 2NaCl + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑ + Cl₂↑.
Нерастворимые основания получают только обменом: соль плюс щёлочь. CuSO₄ + 2NaOH → Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄. Из оксида и воды их получить нельзя — CuO с водой не реагирует, и это частая ошибка в цепочках.
Кислоты получают:
- растворением кислотного оксида в воде: SO₃ + H₂O → H₂SO₄; P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄. Исключение — SiO₂, он с водой не реагирует; - вытеснением слабой или летучей кислоты более сильной из её соли: Na₂SiO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂SiO₃↓; NaCl(тв.) + H₂SO₄(конц.) → NaHSO₄ + HCl↑.
Соли получают множеством способов, и все они сводятся к «реагируют противоположности»: кислота с основанием, кислота с основным оксидом, кислотный оксид с основанием, два оксида между собой, кислота с металлом, кислота с солью, соль с солью, соль со щёлочью, металл с неметаллом.
Практический вывод для цепочек: если стрелка требует нерастворимое основание, ищите обмен; если кислоту — оксид с водой или вытеснение; если оксид — разложение или горение.
Разбор примера
Разбор: доказать амфотерность четырьмя уравнениями
Докажите уравнениями реакций, что оксид цинка и гидроксид цинка амфотерны. Учтите различие между реакцией со щёлочью в растворе и при сплавлении.
Показать решение по шагам
- 1. Шаг 1: Амфотерность доказывается двумя реакциями для каждого вещества: с кислотой (тогда вещество ведёт себя как основание) и со щёлочью (тогда как кислота). Одной реакции недостаточно — это прямо оговаривается в критериях.
- 2. Шаг 2: ZnO с кислотой: ZnO + 2HCl → ZnCl₂ + H₂O. Здесь оксид цинка ведёт себя как обычный основный оксид.
- 3. Шаг 3: ZnO со щёлочью в растворе: ZnO + 2NaOH + H₂O → Na₂[Zn(OH)₄]. Обратите внимание на воду в левой части: в растворе образуется гидроксокомплекс, и вода в него входит.
- 4. Шаг 4: ZnO со щёлочью при сплавлении: ZnO + 2NaOH →(t) Na₂ZnO₂ + H₂O. Воды в реагентах нет, и продукт другой — цинкат, обычная соль. Разница между двумя условиями — самая частая потеря балла в этой теме.
- 5. Шаг 5: Zn(OH)₂ с кислотой: Zn(OH)₂ + H₂SO₄ → ZnSO₄ + 2H₂O. Ведёт себя как основание.
- 6. Шаг 6: Zn(OH)₂ со щёлочью в растворе: Zn(OH)₂ + 2NaOH → Na₂[Zn(OH)₄]; при сплавлении: Zn(OH)₂ + 2NaOH →(t) Na₂ZnO₂ + 2H₂O.
- 7. Шаг 7: Как это выглядит в пробирке и почему важно для задания 6. Прибавляя щёлочь к раствору соли цинка по каплям, видим белый осадок Zn(OH)₂. Продолжая лить щёлочь до избытка, видим, как осадок растворяется. Формулировка «выпал осадок, который затем растворился в избытке реактива» — прямое указание на амфотерный гидроксид, и по ней в задании 6 опознают реактив.
Ответ: ZnO + 2HCl → ZnCl₂ + H₂O; ZnO + 2NaOH + H₂O → Na₂[Zn(OH)₄] (раствор) либо ZnO + 2NaOH →(t) Na₂ZnO₂ + H₂O (сплавление); Zn(OH)₂ + H₂SO₄ → ZnSO₄ + 2H₂O; Zn(OH)₂ + 2NaOH → Na₂[Zn(OH)₄].
Разбор примера
Разбор задания 6: два реактива по описанию опыта
В одну пробирку с раствором хлорида алюминия добавили избыток раствора вещества X — наблюдали выпадение белого осадка и выделение углекислого газа. В другую пробирку с раствором той же соли по каплям добавили избыток раствора вещества Y — выпал белый осадок, который затем растворился. Определите X и Y.
Показать решение по шагам
- 1. Шаг 1: Разбираем первое наблюдение: осадок и газ одновременно. Обычная реакция обмена такого не даёт: она даёт либо осадок, либо газ. Два признака сразу — признак совместного гидролиза.
- 2. Шаг 2: Соль алюминия сильно гидролизуется по катиону, а карбонат — по аниону. Встречаясь, они усиливают гидролиз друг друга до конца, и карбоната алюминия не существует: 2AlCl₃ + 3Na₂CO₃ + 3H₂O → 2Al(OH)₃↓ + 3CO₂↑ + 6NaCl. Значит, X — карбонат (натрия или калия). Подошёл бы и сульфид по той же причине, но тогда выделялся бы сероводород, а не углекислый газ.
- 3. Шаг 3: Разбираем второе наблюдение: осадок выпал и растворился в избытке. Это признак амфотерного гидроксида, который реагирует с избытком реактива.
- 4. Шаг 4: Проверяем кандидатов на Y. Щёлочь подходит: сначала AlCl₃ + 3NaOH → Al(OH)₃↓ + 3NaCl, затем Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄], и осадок уходит.
- 5. Шаг 5: А вот аммиак не подходит, хотя тоже даёт осадок: Al(OH)₃ в избытке аммиака не растворяется, потому что аммиак — слабое основание и в комплекс алюминий не переводит. Это и есть проверка на понимание: «растворился в избытке» отсекает аммиак.
- 6. Шаг 6: Ответ: X — Na₂CO₃ (карбонат щелочного металла), Y — NaOH (щёлочь).
- 7. Шаг 7: Обобщение для линии 6. Читайте наблюдения как пару признаков: «осадок и газ вместе» — совместный гидролиз; «осадок, растворившийся в избытке щёлочи» — амфотерный гидроксид; «осадок, растворившийся в избытке аммиака» — цинк или медь; «помутнение, затем просветление» — известковая вода и избыток CO₂; «осадок побурел» — Fe(OH)₂ на воздухе.
Ответ: X — карбонат натрия (совместный гидролиз даёт осадок Al(OH)₃ и газ CO₂); Y — гидроксид натрия (осадок Al(OH)₃ растворяется в избытке щёлочи).
Разбор примера
Пример: докажи амфотерность гидроксида цинка
Напиши уравнения, доказывающие амфотерность Zn(OH)₂.
Показать решение по шагам
- 1. С кислотой (как основание): Zn(OH)₂ + H₂SO₄ = ZnSO₄ + 2H₂O
- 2. Со щёлочью в растворе (как кислота): Zn(OH)₂ + 2NaOH = Na₂[Zn(OH)₄]
- 3. Реагирует и с кислотой, и со щёлочью → вещество амфотерно
Ответ: Zn(OH)₂ растворяется и в кислоте, и в щёлочи — это и есть амфотерность.
Разбор примера
Пример: что увидим в пробирке
К раствору сульфата алюминия по каплям приливают раствор гидроксида натрия до избытка. Опишите наблюдения и запишите уравнения реакций.
Показать решение по шагам
- 1. Шаг 1: Первые капли щёлочи дают обменную реакцию — выпадает белый студенистый осадок гидроксида алюминия: Al₂(SO₄)₃ + 6NaOH = 2Al(OH)₃↓ + 3Na₂SO₄.
- 2. Шаг 2: Проверяем баланс: слева алюминия 2, натрия 6, серы 3; справа алюминия 2, натрия 6, серы 3. Водорода слева 6, справа 6. Сходится.
- 3. Шаг 3: Продолжаем лить щёлочь. Осадок начинает растворяться — это работает амфотерность: Al(OH)₃ + NaOH = Na[Al(OH)₄].
- 4. Шаг 4: В итоге раствор снова становится прозрачным: образовался растворимый тетрагидроксоалюминат натрия.
- 5. Шаг 5: Что было бы иначе. Если бы вместо алюминия взяли медь, осадок Cu(OH)₂ выпал бы, но в избытке щёлочи не растворился: медь не амфотерна. Именно этим опытом различают амфотерный и обычный нерастворимый гидроксид.
- 6. Шаг 6: И третий вариант, который встречается в задании 6: если вместо щёлочи прилить раствор карбоната натрия, пойдёт совместный гидролиз — выпадет тот же белый осадок Al(OH)₃, но одновременно будет выделяться углекислый газ.
Ответ: Сначала белый осадок Al(OH)₃, затем его растворение с образованием Na[Al(OH)₄]; уравнения — обмен и реакция амфотерного гидроксида со щёлочью.
Вопрос на проверку
Какое вещество не будет реагировать с раствором гидроксида натрия?
Ответить и проверить себя — после бесплатной регистрации.
Вопрос на проверку
С чем реагирует амфотерный оксид Al₂O₃?
Ответить и проверить себя — после бесплатной регистрации.
Задание №5 в формате экзамена
Ответить и проверить себя — после бесплатной регистрации.
Задание №6 в формате экзамена
Ответить и проверить себя — после бесплатной регистрации.
Разбор примера
Разбор: кто с кем реагирует из оксидов и гидроксидов
Определите, между какими парами веществ идёт реакция, и запишите уравнения: а) CaO и SO₂; б) CO₂ и SO₃; в) NaOH и KOH; г) Al₂O₃ и NaOH (раствор); д) SiO₂ и H₂O; е) CuO и H₂O.
Показать решение по шагам
- 1. Шаг 1: Главное правило темы — реагируют противоположности. Основное вещество реагирует с кислотным и наоборот; два однотипных вещества между собой не реагируют. Амфотерное реагирует с обоими.
- 2. Шаг 2: а) CaO — основный оксид, SO₂ — кислотный. Противоположности, реакция идёт: CaO + SO₂ → CaSO₃. Так на электростанциях улавливают сернистый газ известью.
- 3. Шаг 3: б) CO₂ и SO₃ — оба кислотные. Реакция не идёт: однотипные вещества друг с другом не взаимодействуют.
- 4. Шаг 4: в) NaOH и KOH — обе щёлочи, то есть снова однотипные. Реакция не идёт.
- 5. Шаг 5: г) Al₂O₃ и NaOH в растворе. Амфотерный оксид со щёлочью реагирует: Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O → 2Na[Al(OH)₄]. Вода в левой части обязательна — в растворе образуется гидроксокомплекс. При сплавлении было бы иначе: Al₂O₃ + 2NaOH →(t) 2NaAlO₂ + H₂O.
- 6. Шаг 6: д) SiO₂ и H₂O. Кислотный оксид, но единственный из школьных, который с водой не реагирует: кремниевая кислота нерастворима, и обратный процесс невыгоден. Реакции нет; H₂SiO₃ получают вытеснением из силиката кислотой.
- 7. Шаг 7: е) CuO и H₂O. Оксид меди(II) — основный, но с водой реагируют только оксиды активных металлов, гидроксиды которых растворимы (щелочных и щёлочноземельных). Cu(OH)₂ нерастворим — реакции нет. Итог: идут реакции а и г; не идут б, в, д и е. Два «не идёт» из четырёх — это исключения (SiO₂ и неактивный металл), и именно их проверяют.
Ответ: Идут: CaO + SO₂ → CaSO₃ и Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O → 2Na[Al(OH)₄]. Не идут: CO₂ с SO₃ и NaOH с KOH (однотипные), SiO₂ с водой и CuO с водой (исключения).
| Основный оксид | с кислотами, с кислотными оксидами; с водой — только если металл активный (щелочной или щёлочноземельный) |
|---|---|
| Кислотный оксид | со щелочами, с основными оксидами, с водой (кроме SiO₂) |
| Амфотерный оксид | и с кислотами, и со щелочами; с водой не реагирует |
| Несолеобразующий оксид | ни с кислотами, ни со щелочами: CO, NO, N₂O, SiO |
| Щёлочь | с кислотами, кислотными оксидами, солями (если выпадает осадок), амфотерными оксидами и гидроксидами |
| Нерастворимое основание | с кислотами; при нагревании разлагается на оксид и воду |
| Кислота | с основаниями, основными и амфотерными оксидами, солями более слабых кислот, металлами до водорода |
| Соль | со щелочами, кислотами, другими солями (если есть осадок или газ), металлами активнее своего |
Вопрос на проверку
Какой оксид не реагирует с водой?
Ответить и проверить себя — после бесплатной регистрации.