§ 45. Соли металлов

Определения и обозначения

Соль — сложное вещество, состоящее из катионов металла или аммония NH₄⁺ и анионов кислотного остатка. Например, NaCl включает катион Na⁺ и анион Cl⁻, а Ca(NO₃)₂ — катион Ca²⁺ и два аниона NO₃⁻. Такое представление помогает увидеть, из каких частиц составлено вещество, и правильно записать его формулу.

Средняя соль — соль, в которой все атомы водорода кислоты замещены катионами металла. В Na₂SO₄ два катиона Na⁺ соответствуют аниону SO₄²⁻, поэтому формула электрически нейтральна. Понятие средней соли нужно, чтобы отличать её от солей, в которых сохранились частицы кислоты или основания.

Кислая соль — соль, в анионе которой сохраняется один или несколько атомов водорода многоосновной кислоты. Например, NaHCO₃ содержит катион Na⁺ и анион HCO₃⁻, в котором остаётся водород угольной кислоты. Это определение помогает понять, почему кислые соли могут дальше нейтрализоваться щёлочью.

Основная соль — соль, в состав которой входят гидроксогруппы OH⁻ наряду с катионами металла и кислотными остатками. Пример — Cu₂(OH)₂CO₃: в формуле есть и гидроксогруппы, и карбонатный остаток CO₃²⁻. По наличию этих групп основную соль можно отличить от средней и кислой.

Как это устроено

Формула соли зависит от состава исходных кислоты и основания: кислота задаёт кислотный остаток, а основание — катион металла. Заряды этих частиц должны взаимно компенсироваться, потому что формульная единица вещества в целом нейтральна. Например, катион Al³⁺ и анион SO₄²⁻ дают Al₂(SO₄)₃: два заряда +3 уравновешивают три заряда −2.

Название соли строят из названия металла и кислотного остатка: NaCl — хлорид натрия, Na₂SO₄ — сульфат натрия. Если металл проявляет несколько степеней окисления, указывают ту, которая соответствует его катиону в данной формуле: FeCl₂ — хлорид железа(II), FeCl₃ — хлорид железа(III). Эта цифра нужна, потому что без неё названия не позволили бы различить вещества с разным составом.

Средние соли образуются при полной замене водорода кислоты катионами металла; кислые — при неполной замене водорода многоосновной кислоты. Основные соли возникают, когда нейтрализация основания кислотой неполная и часть гидроксогрупп остаётся в составе вещества. Поэтому тип соли определяют не по названию, а по частицам, сохранившимся в формуле.

Многие соли — твёрдые кристаллические вещества, но их растворимость в воде различна: одни хорошо растворяются, другие почти нерастворимы. На растворимость влияют природа катиона и аниона, поэтому её не следует угадывать только по внешнему виду или формуле. Таблица растворимости показывает, какие вещества растворимы, малорастворимы или нерастворимы; эту информацию используют, чтобы предсказать образование осадка.

Соли вступают в реакции с металлами, кислотами, щелочами и другими солями. Металл может вытеснить другой металл из раствора его соли, если он активнее; реакция с кислотой или щёлочью возможна, когда среди продуктов появляется газ, осадок или слабый электролит. При обмене растворов двух солей также проверяют продукты по таблице растворимости: образование осадка делает реакцию заметной и позволяет записать сокращённое ионное уравнение.

Состав и свойства солей

Сначала найдите в формуле кислотный остаток и катион, затем проверьте, есть ли в составе водород внутри остатка или гидроксогруппы. По этим признакам определяют тип соли, а заряд катиона помогает уточнить название. Условия получения в таблице показывают, почему разные соли могут образовываться из кислоты и основания при разной степени нейтрализации.

Разбор задач

1. Формулы сульфата алюминия и нитрата железа(III)

Нужно уравнять заряды катионов и анионов, не меняя состав самих групповых ионов. Сульфат-ион SO₄²⁻ имеет заряд −2, катион алюминия Al³⁺ — заряд +3. В нитрате железа(III) катион Fe³⁺ сочетается с нитрат-ионом NO₃⁻.

1. Для сульфата алюминия наименьшее общее число положительных и отрицательных зарядов равно 6: берём два Al³⁺ и три SO₄²⁻.
2. Записываем формулу Al₂(SO₄)₃. Скобки нужны, потому что индекс 3 относится ко всей группе SO₄.
3. Для нитрата железа(III) один Fe³⁺ уравновешивают три NO₃⁻, поэтому записываем Fe(NO₃)₃.

Проверка: в Al₂(SO₄)₃ сумма зарядов равна 2 · (+3) + 3 · (−2) = 0, а в Fe(NO₃)₃ — (+3) + 3 · (−1) = 0. Значит, обе формулы нейтральны и составлены правильно. Ответ: Al₂(SO₄)₃, Fe(NO₃)₃.

2. Названия и тип солей NaHCO₃, CuSO₄ и FeCl₃

Чтобы назвать соль и определить её тип, выделяем катион металла и кислотный остаток. Затем смотрим, сохраняется ли в составе водород кислотного остатка или гидроксогруппа. Для металла с переменной степенью окисления рассчитываем заряд по нейтральности формулы.

1. В NaHCO₃ находятся Na⁺ и HCO₃⁻; водород входит в кислотный остаток. Это гидрокарбонат натрия, кислая соль.
2. В CuSO₄ анион SO₄²⁻ имеет заряд −2, поэтому медь здесь Cu²⁺. Название — сульфат меди(II); водорода и OH⁻ в формуле нет, значит, соль средняя.
3. В FeCl₃ три Cl⁻ дают суммарный заряд −3, следовательно, железо имеет степень окисления +3. Это хлорид железа(III), средняя соль.

В названиях гидрокарбоната и хлорида указан кислотный остаток, а в названиях солей переменной валентности — степень окисления металла. Признак кислой соли — сохранённый водород в анионе, а не просто наличие буквы H где-либо в формуле. Ответ: NaHCO₃ — гидрокарбонат натрия, кислая; CuSO₄ — сульфат меди(II), средняя; FeCl₃ — хлорид железа(III), средняя.

3. Реакция BaCl₂ и Na₂SO₄

При смешивании растворов возможен обмен ионами: Ba²⁺ может соединиться с SO₄²⁻, а Na⁺ — с Cl⁻. Сначала выясняем, растворимы ли продукты, потому что именно это позволяет предсказать, будет ли реакция идти. По таблице растворимости BaSO₄ нерастворим, поэтому выпадает осадок.

1. Записываем обмен и расставляем коэффициенты: BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl.
2. Записываем полное ионное уравнение: Ba²⁺ + 2Cl⁻ + 2Na⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ + 2Na⁺ + 2Cl⁻.
3. Убираем одинаковые ионы Na⁺ и Cl⁻ по обе стороны уравнения. Остаются частицы, непосредственно образующие осадок.

Сокращённое ионное уравнение: Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓. Ионы натрия и хлора называют ионами-наблюдателями: они остаются в растворе и не меняются в ходе реакции. Ответ: реакция идёт, образуется белый осадок сульфата бария.

Типичные ошибки

Ошибка: составлять формулу соли, не учитывая заряды ионов. Обычно индексы переносят механически или забывают проверить результат; из-за этого формула может оказаться заряженной. Проверьте себя: умножьте заряд каждого иона на его индекс и убедитесь, что сумма равна нулю.

Ошибка: считать кислую соль кислотой. В кислой соли водород сохраняется внутри кислотного остатка, но вместе с ним в формуле есть катион металла, например NaHCO₃. Чтобы не спутать вещества, выделите все частицы формулы и проверьте, присутствует ли металл.

Ошибка: не указывать степень окисления металла с переменной валентностью. Так теряется информация о составе и становится непонятно, какая соль имеется в виду. Найдите заряд металла по суммарному заряду анионов и запишите его римской цифрой в скобках: железо(III).

Ошибка: полагать, что любая смесь растворов солей даёт реакцию обмена. Ионы могут остаться в растворе, если все возможные продукты растворимы и не образуют слабый электролит или газ. До записи уравнения проверьте растворимость продуктов и наличие осадка, газа или воды.

Связь с другими темами

Для изучения солей нужны знания о составе и названиях кислот и оснований, зарядах ионов и степенях окисления. Эта тема опирается на электролитическую диссоциацию: растворимые соли распадаются на ионы, а реакции обмена удобно описывать ионными уравнениями. Таблица растворимости позволяет предсказывать образование осадков.

Понимание состава солей пригодится при изучении гидролиза — взаимодействия ионов соли с водой. Оно также помогает разбирать способы получения веществ и химические свойства металлов и их соединений. Умение устанавливать связи между формулой, зарядом и свойствами применимо ко многим разделам химии.

Что запомнить

• В формуле соли суммарный заряд катионов и анионов равен нулю.
• Название соли включает название металла и кислотного остатка.
• В кислой соли сохраняется водород кислотного остатка.
• В основной соли вместе присутствуют гидроксогруппы и кислотный остаток.
• Для предсказания обменной реакции проверяют растворимость продуктов.
• В ионном уравнении нерастворимые вещества записывают в молекулярном виде.