§ 42. Характерные химические свойства неорганических веществ

Определения и обозначения

Кислота — сложное вещество, состоящее из атомов водорода и кислотного остатка. В формуле водород обычно записывают первым: HCl, H₂SO₄. По числу атомов водорода можно понять основность кислоты и подобрать уравнение реакции.

Основание — сложное вещество, содержащее катионы металла и одну или несколько гидроксогрупп OH⁻. Например, NaOH и Cu(OH)₂ состоят из ионов металла и гидроксид-ионов. Растворимое в воде основание называют щёлочью; это помогает отличать вещества, которые могут вступать в реакции обмена в растворе.

Соль — сложное вещество, состоящее из катионов металла и анионов кислотного остатка. В средней соли все атомы водорода кислотного остатка замещены металлом, например Na₂SO₄, а в кислой соли часть водорода сохраняется, например NaHSO₄. Такое различие влияет на состав формулы и химические свойства соли.

Амфотерный гидроксид проявляет свойства и кислот, и оснований. С кислотой он взаимодействует как основание, а со щёлочью — как кислота, например Zn(OH)₂. Поэтому для него нельзя ограничиться одной схемой реакций обычного основания.

Как это устроено

Кислоты реагируют с металлами не одинаково: металл должен быть достаточно активным и находиться в ряду активности левее водорода. Тогда он отдаёт электроны, а ионы водорода принимают их и превращаются в H₂. Однако сильные окислители, например азотная кислота, могут восстанавливаться до других веществ, поэтому водород не всегда выделяется.

Основной оксид и основание проявляют основные свойства, поэтому кислота нейтрализует их кислотными свойствами. В результате ионы водорода соединяются с гидроксид-ионами или оксид-ионами и образуют воду, а оставшиеся ионы дают соль. Например, HCl + CuO → CuCl₂ + H₂O.

Кислота и соль могут обмениваться ионами в растворе. Но такой обмен имеет направленное течение только тогда, когда появляется осадок, газ или слабый электролит, чаще всего вода. Если все вещества остаются растворимыми и сильными электролитами, ионы продолжают свободно двигаться, поэтому заметной реакции до конца обычно нет.

Основания нейтрализуют кислоты и реагируют с кислотными оксидами, потому что их частицы имеют противоположные кислотно-основные свойства. Растворимые основания могут также обмениваться ионами с солями, если образуется нерастворимый гидроксид или другое малодиссоциирующее вещество. Например, из растворов CuSO₄ и NaOH выпадает осадок Cu(OH)₂.

Основные оксиды взаимодействуют с кислотами и кислотными оксидами, а кислотные — с основаниями и основными оксидами. Причина в том, что основной оксид является донором основных свойств, а кислотный — кислотных. При соединении противоположных свойств образуются соль, вода или другое устойчивое соединение.

Характерные химические свойства основных классов неорганических веществ

Сначала найдите в таблице класс исходного вещества и возможный реагент. Затем проверьте условие реакции: ряд активности, растворимость и появление осадка, газа или воды. После этого составьте формулы продуктов и расставьте коэффициенты.

Разбор задач

Соляная кислота и оксид меди(II)

Нужно записать реакцию HCl с CuO и назвать продукты. Оксид меди(II) — основной оксид, поэтому подходит схема кислота + основной оксид → соль + вода. В результате образуются хлорид меди(II) и вода.

1. Записываем формулы продуктов: CuCl₂ и H₂O.
2. Получаем черновое уравнение: HCl + CuO → CuCl₂ + H₂O.
3. Ставим коэффициент 2 перед HCl, чтобы уравнять хлор и водород.

Ответ: 2HCl + CuO → CuCl₂ + H₂O. Продукты — хлорид меди(II) и вода.

Сульфат натрия и хлорид бария

Даны растворы Na₂SO₄ и BaCl₂. Это соли, поэтому предполагаем реакцию обмена и проверяем растворимость возможных продуктов. Сульфат бария нерастворим, значит, выпадает белый осадок и реакция идёт до конца.

1. Меняем местами ионы: образуются BaSO₄ и NaCl.
2. Записываем формулы с учётом зарядов: BaSO₄, NaCl.
3. Уравниваем хлор и натрий: Na₂SO₄ + BaCl₂ → BaSO₄↓ + 2NaCl.

Ответ: реакция происходит, потому что образуется осадок BaSO₄.

Цепочка превращений меди

Нужно пройти путь Cu → CuO → CuCl₂ → Cu(OH)₂ → CuO. Каждый переход связываем с характерным свойством вещества: окислением металла, реакцией основного оксида с кислотой, обменом соли со щёлочью и разложением гидроксида при нагревании. Такой порядок позволяет подобрать реагенты без угадывания.

1. 2Cu + O₂ → 2CuO, нагревание.
2. CuO + 2HCl → CuCl₂ + H₂O.
3. CuCl₂ + 2NaOH → Cu(OH)₂↓ + 2NaCl.
4. Cu(OH)₂ → CuO + H₂O, нагревание.

Ответ: реагенты по этапам — O₂ и нагревание, HCl, NaOH, затем нагревание. Все уравнения составлены с сохранением числа атомов каждого элемента.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что любая кислота реагирует с любым металлом с выделением водорода. Так думают, потому что общая схема реакции запоминается без ограничений. Проверьте положение металла в ряду активности и окислительные свойства кислоты.

Ошибка: записывать обмен сразу после смешивания растворов. Сам факт контакта веществ не доказывает протекание реакции, если все ионы остаются в растворе. Составьте продукты и найдите осадок, газ или воду.

Ошибка: путать свойства оксидов и гидроксидов, ориентируясь только на название. Один и тот же металл может образовывать соединения с разным характером. Сначала определите класс по формуле, затем установите, является ли вещество основным, кислотным или амфотерным.

Ошибка: считать амфотерный гидроксид обычным основанием. В этом случае забывают его реакцию со щёлочью. Проверьте, может ли гидроксид образовывать продукт и в кислой, и в щелочной среде.

Связь с другими темами

Для темы нужны знания о составе и классификации оксидов, кислот, оснований и солей. Также необходимо уметь составлять формулы по зарядам ионов. Без этого трудно правильно определить продукты реакции.

Пригодятся ряд активности металлов, таблица растворимости и признаки реакций ионного обмена. Эти сведения помогают выбрать реагент и понять, идёт ли процесс до конца. Особенно важна проверка образования осадка.

Характерные свойства служат основой для изучения генетической связи классов неорганических веществ. Они также используются при рассмотрении реакций в растворах и способов получения веществ. Цепочки превращений объединяют эти знания в единую систему.

Что запомнить

• Химические свойства вещества определяются его составом и принадлежностью к классу.
• Кислоты взаимодействуют с основаниями и основными оксидами с образованием соли и воды.
• Реакции обмена в растворах обычно идут до конца при образовании осадка, газа или воды.
• Металл вытесняет водород из кислоты только при соблюдении условий, связанных с его активностью и видом кислоты.
• Амфотерные гидроксиды реагируют и с кислотами, и со щёлочами.
• Уравнение реакции нужно составлять с учётом формул веществ, условий и закона сохранения массы.