§ 42. Характерные химические свойства неорганических веществ

Определения и обозначения

Оксиды — бинарные соединения, состоящие из двух элементов, один из которых кислород. Основные оксиды, например MgO, проявляют свойства оснований и реагируют с кислотами; кислотные оксиды, например CO₂, проявляют свойства кислот и реагируют с основаниями. Амфотерные оксиды, например Al₂O₃, способны взаимодействовать и с кислотами, и со щелочами, поэтому занимают промежуточное положение.

Кислоты — сложные вещества, содержащие атомы водорода и кислотный остаток: HCl, H₂SO₄, H₂CO₃. Они реагируют с металлами, основаниями, основными оксидами и некоторыми солями. По этим реакциям кислоту можно распознать и получить из неё другие вещества.

Основания — сложные вещества, состоящие из атомов металла и одной или нескольких гидроксогрупп OH: NaOH, Ca(OH)₂. Растворимые основания называют щелочами; они изменяют окраску индикаторов и вступают в реакции обмена. Нерастворимые основания не образуют щелочных растворов, но реагируют с кислотами, часто при нагревании.

Соли — сложные вещества, состоящие из катионов металлов и анионов кислотных остатков: NaCl, CaCO₃. Соли могут реагировать с кислотами, основаниями и другими солями. Обычно такая реакция идёт до конца, если среди продуктов появляется осадок, газ или вода.

Как это устроено

Состав и строение вещества определяют, какие частицы появляются при его растворении и какие связи могут изменяться в реакции. Поэтому вещества с похожим составом объединяют в классы и наблюдают у них сходные свойства. Формула позволяет заранее предположить тип вещества и подобрать подходящий реагент.

Основные и кислотные оксиды проявляют противоположные свойства, потому что в реакциях ведут себя как источники соответственно основных или кислотных частиц. Основной оксид связывает кислоту с образованием соли и воды, например MgO + 2HCl → MgCl₂ + H₂O. Кислотный оксид связывается с основанием: CO₂ + 2NaOH → Na₂CO₃ + H₂O; с водой некоторые оксиды образуют кислоты или основания, но не каждый оксид способен к такому взаимодействию.

Кислота взаимодействует с металлом, если металл способен вытеснить водород, с основанием и основным оксидом — за счёт образования воды. Соль также может реагировать с кислотой, когда появляется газ или осадок, например Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂↑. Значит, одной записи формул недостаточно: нужно проверить, есть ли признак необратимого процесса.

Основания реагируют с кислотами, потому что ионы или группы противоположного характера образуют воду; такая реакция называется нейтрализацией. Кислотные оксиды присоединяются к основаниям с образованием соли и иногда воды. Растворимые основания вступают в обмен с солями, если новый продукт выпадает в осадок, например CuSO₄ + 2NaOH → Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄.

Реакции между классами веществ позволяют переходить от одного класса к другому. Последовательность таких превращений называют генетическим рядом, поскольку вещества связаны происхождением и способами получения. Например, соль CaCO₃ превращается в основной оксид CaO, затем в основание Ca(OH)₂ и новую соль CaCl₂.

Характерные химические свойства основных классов неорганических веществ

В таблице сначала определите класс вещества, затем найдите нужный столбец с реагентом. Если указан осадок, газ или вода, реакцию можно считать практически протекающей до конца; отсутствие записи означает, что взаимодействие обычно нехарактерно или требует особых условий.

Разбор задач

1. Реакции MgO с HCl и NaOH с HCl

Условие: записать уравнения реакций и назвать их тип. Нужно определить, с какими классами веществ взаимодействуют реагенты, а затем проверить состав продуктов.

1. MgO — основной оксид, а HCl — кислота, поэтому образуются соль и вода: MgO + 2HCl → MgCl₂ + H₂O.
2. NaOH — основание, HCl — кислота. Получаем соль и воду: NaOH + HCl → NaCl + H₂O.
3. Вторая реакция является нейтрализацией; обе реакции относятся к реакциям обмена, потому что части веществ обмениваются составными частями.

Ответ: MgO реагирует с кислотой как основной оксид, а NaOH нейтрализует HCl как основание. В обоих случаях образуются соль и вода.

2. Цепочка CaCO₃ → CaO → Ca(OH)₂ → CaCl₂

Условие: составить уравнения превращений. Двигаясь по цепочке, для каждого перехода выбираем реакцию, которая переводит вещество в следующий класс.

1. Карбонат кальция нагреваем; неустойчивая соль разлагается: CaCO₃ t → CaO + CO₂↑.
2. К основному оксиду добавляем воду: CaO + H₂O → Ca(OH)₂.
3. Чтобы получить соль из основания, проводим нейтрализацию соляной кислотой: Ca(OH)₂ + 2HCl → CaCl₂ + 2H₂O.

Ответ: цепочка строится через разложение соли, взаимодействие основного оксида с водой и нейтрализацию основания кислотой. Полученная последовательность демонстрирует генетическую связь классов.

3. Распознавание растворов Na₂CO₃, NaCl и NaOH

Условие: различить три бесцветных раствора. Реактивы подбираем так, чтобы каждый этап давал наблюдаемый признак и не смешивал результаты.

1. В отдельные пробы каждого раствора добавляем HCl. В пробе Na₂CO₃ выделится углекислый газ: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂↑.
2. Оставшиеся две пробы проверяем фенолфталеином. В щелочном растворе NaOH индикатор станет малиновым, а в нейтральном NaCl останется бесцветным.
3. Уравнение реакции нейтрализации для щёлочи: NaOH + HCl → NaCl + H₂O. Видимого признака при добавлении кислоты может не быть, поэтому сначала используют индикатор.

Ответ: газ указывает на Na₂CO₃, малиновая окраска фенолфталеина — на NaOH, отсутствие этих признаков — на NaCl.

Типичные ошибки

Считают, что любой оксид реагирует с водой. Так думают, потому что некоторые известные оксиды действительно образуют кислоты или основания, но многие оксиды с водой не взаимодействуют. Проверяйте конкретный состав вещества и тип оксида, а не переносите свойство одного примера на все вещества.

Записывают реакцию обмена без проверки её осуществимости. Ошибка возникает, когда механически меняют местами части формул и не смотрят на свойства продуктов. Проверьте, образуются ли осадок, газ или вода; если нет, реакция в растворе обычно не идёт до конца.

Путают кислотные и основные оксиды по названию. Название само по себе не показывает поведение вещества, поэтому нужно учитывать состав и типичные реакции: основные оксиды реагируют с кислотами, кислотные — с основаниями. Для самопроверки подберите к оксиду противоположный класс реагента.

Неправильно расставляют индексы и коэффициенты в формулах. Причина — попытка уравнять реакцию только на глаз, без подсчёта атомов и зарядов ионов. Сначала составьте правильные формулы веществ, затем проверьте число атомов каждого элемента слева и справа.

Связь с другими темами

До изучения темы нужно знать состав и классификацию оксидов, кислот, оснований и солей, а также основные типы химических реакций. Это позволяет распознавать классы веществ по формулам и правильно подбирать продукты.

Знания нужны для составления уравнений реакций, решения цепочек превращений и распознавания веществ. По характерному признаку реакции можно выбрать подходящий качественный реактив.

Позже эти закономерности используются при изучении электролитической диссоциации, ионных уравнений и качественных реакций. Там молекулярные уравнения объясняются поведением ионов в растворах.

Что запомнить

• Химические свойства вещества определяются его составом и принадлежностью к определённому классу.
• Основные оксиды реагируют с кислотами, а кислотные оксиды — с основаниями.
• Кислота и основание взаимодействуют в реакции нейтрализации с образованием соли и воды.
• Реакции обмена в растворах протекают до конца при образовании осадка, газа или слабого электролита.
• Соли могут взаимодействовать с кислотами, основаниями и другими солями.
• Цепочки взаимных превращений веществ разных классов называют генетическими рядами.
• Амфотерные вещества проявляют свойства и кислот, и оснований.