11. Получение и свойства нерастворимых оснований

Определения и обозначения

Нерастворимые основания — основания, которые практически не растворяются в воде. К ним относятся, например, Cu(OH)₂ и Fe(OH)₃. В отличие от щёлочей, они не образуют заметного количества ионов в растворе и обычно существуют как осадки.

Гидроксид — вещество, в составе которого есть гидроксид-ионы OH⁻, соединённые с катионами металла. В формуле Cu(OH)₂ два иона OH⁻ компенсируют заряд Cu²⁺, а в Fe(OH)₃ три группы OH компенсируют заряд Fe³⁺. Это правило помогает правильно составлять формулы оснований.

Реакция осаждения — реакция, при которой из раствора образуется малорастворимое твёрдое вещество. Если к раствору соли металла добавить щёлочь, ионы металла могут связаться с OH⁻ и выпасть в осадок. Появление осадка служит признаком реакции и позволяет выделить основание.

Термическое разложение основания — распад основания на другие вещества при нагревании. Многие нерастворимые гидроксиды превращаются в оксид металла и воду. По этому свойству их можно отличать от веществ, которые сохраняют состав при нагревании.

Как это устроено

Нерастворимое основание получают реакцией обмена между раствором соли и щёлочью. Например, при смешивании CuSO₄ и NaOH ионы Cu²⁺ встречаются с ионами OH⁻ и образуют Cu(OH)₂, который не растворяется в воде. Уравнение реакции: CuSO₄ + 2NaOH = Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄, а стрелка вниз показывает образование осадка.

Исходные вещества выбирают по таблице растворимости. Нужно проверить, что гидроксид металла будет нерастворимым, а вторая соль останется в растворе; для CuSO₄ и NaOH это Cu(OH)₂ и Na₂SO₄. Если предполагаемый гидроксид растворим, осадок не образуется и такой способ не подходит для получения нерастворимого основания.

Нерастворимые основания почти не переходят в воду, поэтому не создают в растворе заметной концентрации OH⁻. Из-за этого они не проявляют щелочных свойств так, как растворимые основания, и обычно не изменяют окраску индикатора при простом контакте с водой. Щёлочи, напротив, диссоциируют в растворе и дают большое количество гидроксид-ионов.

Основания реагируют с кислотами по типу реакции нейтрализации: образуются соль и вода. Например, Fe(OH)₃ + 3HCl = FeCl₃ + 3H₂O; в сокращённом ионном виде это Fe(OH)₃ + 3H⁺ = Fe³⁺ + 3H₂O. Ионы водорода связываются с гидроксид-ионами, а оставшийся катион металла образует соль с анионом кислоты.

При нагревании многие нерастворимые гидроксиды теряют воду и превращаются в оксиды. Гидроксид меди(II) разлагается по уравнению Cu(OH)₂ = CuO + H₂O, а гидроксид железа(III) — по уравнению 2Fe(OH)₃ = Fe₂O₃ + 3H₂O. Поэтому при нагревании голубой Cu(OH)₂ даёт чёрный CuO, а бурый Fe(OH)₃ — красно-бурый Fe₂O₃.

Получение и свойства некоторых нерастворимых оснований

Сначала по таблице находят цвет осадка и проверяют растворимость гидроксида. Затем сравнивают молекулярное уравнение с сокращённым ионным: в последнем оставляют только частицы, непосредственно участвующие в образовании осадка. В последней строке показано, какие оксиды и вода образуются при нагревании.

Разбор задач

Задача 1

Запишите уравнение получения Cu(OH)₂ при смешивании растворов CuSO₄ и NaOH и укажите признак реакции. Нужно определить продукты обмена и проверить, какой из них не растворяется в воде. Именно он будет наблюдаться в опыте.

1. Ион Cu²⁺ соединяется с OH⁻, поэтому предполагаемый осадок имеет формулу Cu(OH)₂.
2. Для двух гидроксид-ионов нужны две формулы NaOH, после чего образуется растворимая соль Na₂SO₄.
3. Записываем: CuSO₄ + 2NaOH = Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄.

Ответ: образуется голубой осадок Cu(OH)₂. Это и есть признак реакции осаждения.

Задача 2

Составьте молекулярное и сокращённое ионное уравнения реакции Fe(OH)₃ с HCl. Нерастворимый гидроксид записывают формулой вещества, а сильную кислоту в ионном уравнении представляют ионами. Нужно подобрать число молекул кислоты по числу групп OH.

1. В Fe(OH)₃ три группы OH, поэтому требуется три молекулы HCl.
2. Оставшиеся Fe³⁺ и Cl⁻ образуют FeCl₃.
3. Молекулярное уравнение: Fe(OH)₃ + 3HCl = FeCl₃ + 3H₂O.
4. Убираем ионы Cl⁻, не участвующие в нейтрализации: Fe(OH)₃ + 3H⁺ = Fe³⁺ + 3H₂O.

Ответ: сокращённое ионное уравнение показывает связывание ионов H⁺ с гидроксид-ионами в воду.

Задача 3

При нагревании 9,8 г Cu(OH)₂ получили CuO и воду. Требуется записать уравнение и найти массу оксида меди(II). Сначала устанавливаем соотношение веществ по уравнению, затем переводим массу гидроксида в количество вещества.

1. Уравнение разложения: Cu(OH)₂ = CuO + H₂O.
2. M(Cu(OH)₂) = 98 г/моль, поэтому n(Cu(OH)₂) = 9,8 / 98 = 0,1 моль.
3. По коэффициентам n(CuO) = 0,1 моль; M(CuO) = 80 г/моль.
4. m(CuO) = 0,1 · 80 = 8 г.

Ответ: масса полученного CuO равна 8 г.

Типичные ошибки

Называть нерастворимое основание щёлочью. Ошибка возникает из-за того, что оба вещества содержат OH⁻ в формуле. Проверьте растворимость: щёлочи растворимы в воде, а Cu(OH)₂ и Fe(OH)₃ образуют осадки.

Не проверять растворимость продукта. Само наличие соли и щёлочи ещё не гарантирует получения осадка. Сверьте предполагаемый гидроксид и вторую соль с таблицей растворимости: хотя бы один продукт должен выпадать из раствора.

Путать реакцию с кислотой и разложение при нагревании. При взаимодействии с кислотой получаются соль и вода, а при нагревании — оксид и вода. Название условия реакции помогает выбрать правильную схему и проверить состав продуктов.

Неверно составлять формулу гидроксида. Число групп OH должно компенсировать заряд катиона металла, поэтому для Cu²⁺ нужна формула Cu(OH)₂, а для Fe³⁺ — Fe(OH)₃. После записи формулы проверьте общий заряд соединения: он должен быть равен нулю.

Связь с другими темами

Для изучения темы нужны знания о составе и свойствах оснований, зарядах ионов и составлении формул по зарядам. Также необходимо уметь пользоваться таблицей растворимости, чтобы предсказывать образование осадка.

Тема связана с реакциями обмена и сокращёнными ионными уравнениями. Эти умения пригодятся при изучении амфотерных гидроксидов и при решении расчётных задач на химические реакции.

Что запомнить

• Нерастворимые основания обычно получают осаждением из растворов соли и щёлочи.
• Для выбора реагентов проверяют растворимость предполагаемых продуктов по таблице растворимости.
• При реакции основания с кислотой образуются соль и вода.
• Многие нерастворимые основания при нагревании разлагаются на оксид металла и воду.
• Cu(OH)₂ образует голубой осадок, Fe(OH)₃ — бурый.
• Нерастворимые основания не следует отождествлять со щёлочами.