Реакции кислот, металлов и оксидов

Почти все реакции задания 8 подчиняются одной идее: вещества противоположного характера реагируют, одинакового — нет. Кислота и кислотный оксид — «кислотная сторона». Основание, основный оксид и активный металл — «основная сторона». Реакция идёт, когда стороны разные. Отсюда сразу следует несколько выводов, которые закрывают большинство вариантов. Кислота реагирует с основными оксидами (CuO + 2HCl), с основаниями (NaOH + HCl), с амфотерными гидроксидами, с металлами до водорода и с солями более слабых кислот. Кислота не реагирует с кислотными оксидами (CO₂, SiO₂, SO₃) и с металлами после водорода. Щёлочь реагирует с кислотами, с кислотными оксидами (CO₂ + 2NaOH), с амфотерными оксидами и гидроксидами, с растворимыми солями, если выпадает осадок. Щёлочь не реагирует с основными оксидами (K₂O, BaO) — обе стороны основные. Отдельно стоит запомнить амфотерные вещества (ZnO, Al₂O₃, Zn(OH)₂, Al(OH)₃): они реагируют и с кислотами, и со щелочами, и именно поэтому их так часто ставят в варианты ответа.

Прежде чем говорить о свойствах, надо уверенно читать формулы. Кислота — сложное вещество, состоящее из атомов водорода, способных замещаться на металл, и кислотного остатка.

Число атомов водорода называют основностью: HCl и HNO₃ одноосновные, H₂SO₄ и H₂CO₃ двухосновные, H₃PO₄ трёхосновная.

По составу кислоты делят на бескислородные (HCl, HBr, HI, H₂S, HF) и кислородсодержащие (H₂SO₄, HNO₃, H₂CO₃, H₃PO₄, H₂SiO₃).

Таблицу кислотных остатков надо знать наизусть — на ней держатся формулы всех солей.

• • HCl — хлороводородная (соляная), остаток Cl⁻ хлорид;
• • HBr — бромоводородная, Br⁻ бромид; HI — иодоводородная, I⁻ иодид;
• • H₂S — сероводородная, S²⁻ сульфид;
• • HF — фтороводородная (плавиковая), F⁻ фторид;
• • H₂SO₄ — серная, SO₄²⁻ сульфат;
• • H₂SO₃ — сернистая, SO₃²⁻ сульфит;
• • HNO₃ — азотная, NO₃⁻ нитрат;
• • H₂CO₃ — угольная, CO₃²⁻ карбонат;
• • H₃PO₄ — фосфорная, PO₄³⁻ фосфат;
• • H₂SiO₃ — кремниевая, SiO₃²⁻ силикат.

Обратите внимание на закономерность в названиях: у кислоты с большим числом кислорода остаток кончается на -ат (сульфат, нитрат, карбонат), у кислоты с меньшим — на -ит (сульфит, нитрит). У бескислородных кислот остаток всегда на -ид (хлорид, сульфид). Эта система позволяет назвать любую соль, не заучивая её отдельно.

Заряд кислотного остатка равен основности кислоты, то есть числу отщепившихся атомов водорода. У H₂SO₄ это два, значит SO₄²⁻. У H₃PO₄ три, значит PO₄³⁻. Отсюда же выводятся формулы солей: заряды катиона и аниона должны скомпенсироваться. Алюминий +3, сульфат −2, наименьшее общее кратное 6, значит Al₂(SO₄)₃.

И последнее: сильными в школьном курсе считают HCl, HBr, HI, H₂SO₄, HNO₃; слабыми — H₂CO₃, H₂SO₃, H₂S, H₂SiO₃, HF и уксусную; H₃PO₄ — средней силы. Это деление нужно и для ионных уравнений, и для правила «сильная кислота вытесняет слабую».

Формально свойства всех кислот одинаковы — они определяются ионом H⁺. Но у трёх важнейших есть особенности, о которых спрашивают отдельно.

Соляная кислота HCl — раствор газообразного хлороводорода в воде. Бесцветная жидкость, концентрированная дымит на воздухе. Сильная, одноосновная, ведёт себя «по учебнику»: реагирует с металлами до водорода, выделяя водород, с оксидами, основаниями и солями слабых кислот. Качественная реакция на хлорид-ион — нитрат серебра: Ag⁺ + Cl⁻ = AgCl↓, белый творожистый осадок. Соляная кислота входит в состав желудочного сока — там её концентрация около 0,5 %, и она обеспечивает работу пищеварительных ферментов.

Серная кислота H₂SO₄ — тяжёлая маслянистая жидкость, плотность около 1,8 г/см³, нелетучая. Двухосновная, сильная. Её особенности:

• • Разбавленная ведёт себя обычно: даёт водород с металлами до водорода. Но с кальцием, барием и свинцом реакция быстро прекращается — образующийся сульфат нерастворим и покрывает металл коркой.
• • Концентрированная — сильный окислитель за счёт S⁺⁶: реагирует даже с медью и серебром, но водорода не даёт.
• • Разбавление идёт с сильным разогревом, поэтому кислоту льют в воду, а не наоборот.
• • Концентрированная серная кислота жадно поглощает воду, отчего её применяют для осушки газов, а на коже и на бумаге она вызывает обугливание.

Качественная реакция на сульфат-ион — соли бария: Ba²⁺ + SO₄²⁻ = BaSO₄↓, белый осадок, не растворяющийся в кислотах.

Азотная кислота HNO₃ — бесцветная жидкость, на свету желтеет из-за частичного разложения. Сильная, одноосновная и особенная: окислителем в ней работает не водород, а азот в степени окисления +5. Поэтому:

• • водород с металлами не выделяется никогда, ни с разбавленной, ни с концентрированной;
• • реагирует с малоактивными металлами — медью, серебром, ртутью;
• • продукт восстановления зависит от концентрации: разбавленная даёт NO, концентрированная — бурый NO₂.

Практическое значение этих трёх кислот огромно: серная — самый производимый химический продукт в мире (удобрения, аккумуляторы, переработка нефти), азотная — основа производства удобрений и взрывчатых веществ, соляная — травление металлов, пищевая промышленность, очистка от накипи.

Задание 8 постоянно требует решить, какого типа оксид перед вами: от этого зависит, с чем он реагирует. Правило определения короткое.

Основные оксиды образуют металлы в степени окисления +1 и +2: Na₂O, K₂O, CaO, BaO, MgO, CuO, FeO. Им соответствуют основания. Реагируют с кислотами и кислотными оксидами; с водой — только оксиды щелочных и щёлочноземельных металлов.

Кислотные оксиды образуют неметаллы, а также металлы в высокой степени окисления (+5 и выше): CO₂, SO₂, SO₃, N₂O₅, P₂O₅, SiO₂, Mn₂O₇. Им соответствуют кислоты. Реагируют со щелочами и основными оксидами; с водой — все, кроме SiO₂.

Амфотерные оксиды образуют металлы в степени окисления +3 (и +4), а также цинк и бериллий: ZnO, Al₂O₃, BeO, Cr₂O₃, Fe₂O₃. Реагируют и с кислотами, и со щелочами.

Несолеобразующие оксиды — небольшая группа исключений: CO, NO, N₂O. Они не дают ни кислот, ни оснований и с кислотами и щелочами не реагируют. Про угарный газ CO стоит помнить особо: он не солеобразующий, но при этом сильный восстановитель и именно в этом качестве работает в доменной печи.

Приём для определения на глаз. Посмотрите, что стоит первым в формуле. Металл в низкой степени окисления — основный. Неметалл — кислотный. Металл в степени +3 или цинк — амфотерный. CO, NO, N₂O — помните отдельно, их всего три.

Какая кислота соответствует кислотному оксиду. Это спрашивают в линиях 8 и 21, и правило простое: степень окисления элемента в оксиде и в кислоте одинакова. SO₂ (сера +4) отвечает H₂SO₃; SO₃ (сера +6) отвечает H₂SO₄; CO₂ отвечает H₂CO₃; P₂O₅ отвечает H₃PO₄; SiO₂ отвечает H₂SiO₃; N₂O₅ отвечает HNO₃.

Какое основание соответствует основному оксиду. Тот же металл с той же степенью окисления: Na₂O отвечает NaOH, CaO отвечает Ca(OH)₂, CuO отвечает Cu(OH)₂, FeO отвечает Fe(OH)₂, Fe₂O₃ отвечает Fe(OH)₃.

Именно эти соответствия и позволяют пройти цепочку линии 21 от оксида к кислоте или к основанию и дальше к соли.

Основание — сложное вещество из атома металла и одной или нескольких гидроксогрупп OH. Число гидроксогрупп равно степени окисления металла: NaOH, Ca(OH)₂, Al(OH)₃, Fe(OH)₃.

Главное деление — по растворимости, и оно определяет всё поведение.

Щёлочи — растворимые основания. Их мало, и список стоит помнить целиком: NaOH, KOH, LiOH (щелочные металлы) и Ca(OH)₂, Sr(OH)₂, Ba(OH)₂ (щёлочноземельные), причём гидроксид кальция малорастворим — его насыщенный раствор называют известковой водой. Щёлочи — сильные электролиты, в растворе полностью распадаются на ионы, мылки на ощупь, разъедают кожу и ткани (отсюда старое название «едкий натр»), окрашивают лакмус в синий, а фенолфталеин в малиновый.

Нерастворимые основания — все остальные: Cu(OH)₂, Fe(OH)₂, Fe(OH)₃, Mg(OH)₂, Ni(OH)₂. Они слабые электролиты, в ионных уравнениях пишутся формулами, индикаторы не окрашивают (их попросту нет в растворе) и разлагаются при нагревании: Cu(OH)₂ = CuO + H₂O.

Как получают.

Щёлочь получают двумя способами. Первый — активный металл плюс вода: 2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂↑; Ca + 2H₂O = Ca(OH)₂ + H₂↑. Второй — оксид активного металла плюс вода: Na₂O + H₂O = 2NaOH; CaO + H₂O = Ca(OH)₂ (гашение извести).

Нерастворимое основание этими способами получить нельзя: ни медь с водой не реагирует, ни оксид меди. Единственный путь — осаждение из раствора соли щёлочью: CuSO₄ + 2NaOH = Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄. Это важная методическая мысль: нерастворимое вещество получают реакцией обмена, потому что оно само выходит из раствора.

Химические свойства оснований.

Все основания реагируют с кислотами — это нейтрализация: NaOH + HCl = NaCl + H₂O; Cu(OH)₂ + H₂SO₄ = CuSO₄ + 2H₂O.

Только щёлочи реагируют с кислотными оксидами: 2NaOH + CO₂ = Na₂CO₃ + H₂O; Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃↓ + H₂O — это и есть помутнение известковой воды, качественная реакция на углекислый газ.

Только щёлочи реагируют с солями, и только если выпадает осадок: 2NaOH + CuSO₄ = Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄.

Только щёлочи реагируют с амфотерными оксидами и гидроксидами, а также с цинком и алюминием.

Только нерастворимые основания разлагаются при нагревании.

Четыре из пяти пунктов начинаются со слова «только», и это не случайность: растворимость основания определяет, что оно может, а чего нет. Поэтому первое, что делают, увидев основание в задании, — смотрят его в таблице растворимости.