§ 24. Соли

Определения и обозначения

Соли — сложные вещества, состоящие из катионов металлов или аммония и анионов кислотных остатков. Катион — положительно заряженная частица, анион — отрицательно заряженная; например, в Na₂SO₄ это Na⁺ и SO₄²⁻. Такое определение помогает отличать соли от кислот и оснований по составу частиц.

Средние соли — соли, в составе которых все атомы водорода кислоты замещены металлом или ионом аммония. Например, Na₂SO₄ — средняя соль серной кислоты: в её формуле нет водорода кислотного остатка. Это понятие нужно, чтобы различать полное и неполное замещение при образовании солей.

Кислые соли — продукты неполного замещения водорода многоосновной кислоты металлом или аммонием. Так, в NaHCO₃ один атом водорода угольной кислоты сохранился в составе остатка HCO₃⁻. Определение помогает распознать такие соли по формуле и понять, почему в ней присутствует водород.

Основные соли — продукты неполного замещения гидроксильных групп основания кислотными остатками. Например, Cu₂(OH)₂CO₃ содержит группы OH, оставшиеся от основания, и кислотный остаток CO₃²⁻. Этот термин нужен для описания соединений, в которых основание нейтрализовано не полностью.

Как это устроено

Состав соли связан с составом исходных кислоты и основания: кислота предоставляет кислотный остаток, а основание — катион металла или аммония. Если в кислоте все атомы водорода замещены, получается средняя соль; если часть водорода сохраняется, образуется кислая соль. При неполном замещении гидроксильных групп основания кислотными остатками возможна основная соль. Поэтому состав исходных веществ подсказывает, какие частицы и в каком соотношении должны оказаться в продукте.

Формулы составляют по условию электронейтральности: общий положительный заряд катионов должен компенсировать общий отрицательный заряд анионов. Для Al³⁺ и SO₄²⁻ наименьшее общее число зарядов равно шести, поэтому нужны два катиона алюминия и три сульфат-иона: Al₂(SO₄)₃. Индексы показывают число частиц, а единицу обычно не пишут; если многоатомный ион повторяется, его заключают в скобки. Проверка суммарного заряда позволяет обнаружить ошибочные индексы.

Название соли отражает её состав: сначала называют кислотный остаток, затем катион металла или аммония. Например, Na₂SO₄ — сульфат натрия, а CaCO₃ — карбонат кальция. Если металл может иметь разные степени окисления, её указывают римской цифрой в скобках: FeCl₃ — хлорид железа(III). Так название уточняет, какой именно катион входит в соединение.

Растворимые соли в воде диссоциируют, то есть распадаются на подвижные ионы. Например, Na₂SO₄ → 2Na⁺ + SO₄²⁻: коэффициент 2 нужен, потому что в одной формульной единице два иона натрия. Ионы в растворе объясняют электропроводность и способность солей участвовать в реакциях обмена. В уравнении диссоциации число атомов и суммарный заряд должны сохраняться.

Соли могут реагировать с металлами, кислотами, щелочами и другими солями, но сам факт смешивания веществ не гарантирует превращения. Реакция обмена в растворе идёт до конца, если среди продуктов появляется осадок, газ или слабый электролит, например вода. Металл вытесняет другой металл из раствора его соли, если он активнее и реакция не запрещена особенностями условий. Поэтому прежде чем записывать уравнение, проверяют ряд активности и растворимость возможных продуктов.

Классификация солей и особенности их состава

Чтобы классифицировать соль, сначала найдите кислотный остаток и проверьте, есть ли в нём водород или в формуле группы OH. Сопоставьте строение с примерами: наличие водорода в остатке указывает на кислую соль, а группы OH — на основную. Эта таблица описывает типичный состав и не заменяет проверку конкретного уравнения диссоциации.

Разбор задач

Задача 1. Составьте формулы сульфата алюминия, карбоната кальция и гидрокарбоната натрия, затем назовите полученные соли. Сначала определите заряды катионов и кислотных остатков, а после уравняйте их суммарные заряды. В кислой соли сохраните водород, входящий в кислотный остаток.

1. Для алюминия берём Al³⁺, для сульфата — SO₄²⁻. Наименьшее общее число зарядов — 6, значит, нужны 2 Al³⁺ и 3 SO₄²⁻: Al₂(SO₄)₃, сульфат алюминия.
2. Для кальция берём Ca²⁺, для карбоната — CO₃²⁻. Заряды равны по модулю, поэтому соотношение ионов 1:1: CaCO₃, карбонат кальция.
3. Для натрия берём Na⁺, для гидрокарбоната — HCO₃⁻. Заряды компенсируются в соотношении 1:1, а H остаётся частью аниона: NaHCO₃, гидрокарбонат натрия.

Ответ: Al₂(SO₄)₃ — сульфат алюминия; CaCO₃ — карбонат кальция; NaHCO₃ — гидрокарбонат натрия. Формулы нейтральны, потому что сумма зарядов их частиц равна нулю. В последней формуле сохранён водород многоосновной кислоты, поэтому соль кислая.

Задача 2. Запишите молекулярное, полное и сокращённое ионные уравнения реакции Na₂CO₃ с HCl. При взаимодействии карбоната с кислотой образуются соль и угольная кислота, которая распадается на воду и углекислый газ. Выделение газа служит признаком протекания реакции до конца.

1. Составьте молекулярное уравнение и уравняйте его: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂↑.
2. Запишите растворимые сильные электролиты ионами, но оставьте воду и газ молекулами: 2Na⁺ + CO₃²⁻ + 2H⁺ + 2Cl⁻ → 2Na⁺ + 2Cl⁻ + H₂O + CO₂↑.
3. Сократите одинаковые ионы Na⁺ и Cl⁻ по обе стороны уравнения.

Ответ: сокращённое ионное уравнение — CO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂O + CO₂↑. Ионы натрия и хлора не изменились, поэтому в итоговую запись не входят. Проверка показывает равенство атомов и суммарного заряда слева и справа.

Задача 3. Осуществите превращения CuO → CuSO₄ → Cu(OH)₂ → CuCl₂ и укажите условия. На каждом шаге выберите реагент, который даст нужный продукт, и проверьте, что реакция имеет движущую силу. Для последней стадии растворение осадка гидроксида в кислоте приводит к образованию воды.

1. Чтобы получить сульфат меди(II), прореагируйте основный оксид с серной кислотой: CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O. Реакцию проводят при смешивании веществ; образуются соль и слабый электролит вода.
2. К раствору CuSO₄ добавьте раствор щёлочи, например NaOH: CuSO₄ + 2NaOH → Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄. Выпадение голубого осадка Cu(OH)₂ показывает, что обмен идёт до конца.
3. Добавьте к осадку соляную кислоту: Cu(OH)₂ + 2HCl → CuCl₂ + 2H₂O. Осадок растворяется, а в растворе образуется хлорид меди(II).

Ответ: CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O; CuSO₄ + 2NaOH → Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄; Cu(OH)₂ + 2HCl → CuCl₂ + 2H₂O. Для второго превращения нужен раствор щёлочи, для третьего — кислота. Осадок во втором уравнении и вода в первом и третьем объясняют направление реакций.

Типичные ошибки

Неверные индексы появляются, если записать заряды ионов, но не проверить их суммарный баланс. Часто индексы переносят механически, не учитывая, что после составления формулы их иногда нужно сократить до наименьших целых чисел. Проверяйте произведение заряда на число каждого иона и убедитесь, что общий заряд равен нулю. Для многоатомного иона при повторении не забывайте скобки.

Кислую соль иногда принимают за кислоту только потому, что в формуле есть H. Ошибка возникает из-за того, что не различают отдельный катион H⁺ и водород, включённый в состав кислотного остатка HCO₃⁻ или HSO₄⁻. Проверяйте, стоит ли H отдельно от остатка, и определяйте, присутствует ли катион металла или аммония. Например, NaHCO₃ — соль, а не кислота.

В сокращённое ионное уравнение порой переносят все ионы из полного уравнения. Так оставляют частицы, которые до и после реакции одинаковы и не участвуют в превращении. Сравните левую и правую части и вычеркните одинаковые ионы, сохранив коэффициенты. Затем проверьте баланс атомов и зарядов в сокращённой записи.

Считают, что любая реакция соли с кислотой, щёлочью или другой солью обязательно завершится. Это неверно: если после обмена все вещества остаются растворимыми сильными электролитами, реакция может не иметь видимого результата. До записи уравнения проверьте растворимость продуктов и возможность образования газа или слабого электролита. Именно появление такого продукта подтверждает, что обмен идёт до конца.

Связь с другими темами

Для изучения солей нужны знания о составе кислот и оснований, зарядах ионов, степенях окисления и составлении формул. Эта тема помогает понять электролитическую диссоциацию, ионные уравнения и качественные реакции на ионы, поскольку именно ионы определяют наблюдаемые превращения в растворах. Позже представления о солях пригодятся при изучении минеральных удобрений, гидролиза и коррозии. Они также помогают выбирать практические способы получения веществ.

Что запомнить

• Соли состоят из катионов металлов или аммония и анионов кислотных остатков.
• Формула соли должна быть электронейтральной.
• Средние соли не содержат водорода кислоты или гидроксильных групп основания в составе кислотного остатка.
• Кислые соли образуются при неполном замещении водорода многоосновной кислоты.
• В растворах соли диссоциируют на катионы и анионы.
• Реакции обмена с участием солей идут до конца при образовании осадка, газа или слабого электролита.
• Название соли отражает состав её катиона и кислотного остатка.