§ 23. Реакции между оксидами. Соли со сложными ионами

Определения и обозначения

Кислотный оксид — сложное вещество из кислорода и другого элемента, которому соответствует кислота. Например, CO₂ связан с угольной кислотой H₂CO₃, а SO₃ — с серной кислотой H₂SO₄. По такой связи определяют, какой кислотный остаток может войти в состав соли.

Основный оксид — оксид, которому соответствует основание. Так, CaO связан с гидроксидом кальция Ca(OH)₂. Это помогает понять, что такой оксид может взаимодействовать с кислотным оксидом и давать соль.

Соль — сложное вещество, состоящее из катионов металла и анионов кислотного остатка. В Na₂CO₃ катионы — Na⁺, а кислотный остаток — CO₃²⁻. Такое представление нужно, чтобы правильно составлять формулы и объяснять реакции.

Сложный ион — группа атомов с общим электрическим зарядом, например SO₄²⁻. В реакции он часто сохраняется как единое целое, хотя внутри группы находятся атомы разных элементов. Поэтому заряд всего иона учитывают целиком, а не по отдельным атомам.

Как это устроено

Основный оксид содержит металл, а кислотный оксид связан с кислотным остатком. Поэтому при их соединении можно получить частицу, в которой металл становится катионом, а остаток кислоты — анионом. Общая схема выглядит так: основной оксид + кислотный оксид → соль, например CaO + CO₂ → CaCO₃.

Реагируют не любые два оксида, а пары, для которых возможно образование устойчивого соединения. Сначала определяют характер каждого оксида: CaO — основной, CO₂ — кислотный, поэтому их реакция возможна. Если оба оксида имеют одинаковый характер, простое правило образования соли применять нельзя: например, CO₂ и SO₃ обычно не рассматривают как пару для такой реакции.

Сложный ион кислотного остатка состоит из атома другого элемента и нескольких атомов кислорода. Например, в CO₃²⁻ один атом углерода соединён с тремя атомами кислорода, а общий заряд группы равен −2. В SO₄²⁻ один атом серы и четыре атома кислорода дают заряд −2; у NO₃⁻ заряд −1, у PO₄³⁻ — −3.

Формулу соли составляют так, чтобы общий заряд вещества был равен нулю. Для Al³⁺ и SO₄²⁻ нужны два иона алюминия и три сульфат-иона: Al₂(SO₄)₃, потому что 2 · (+3) + 3 · (−2) = 0. Скобки показывают, что индекс 3 относится ко всей группе SO₄, а не только к кислороду.

Уравнивание реакции означает подбор коэффициентов перед формулами. Индексы внутри формул менять нельзя, поскольку это изменило бы сами вещества. Например, в Al₂O₃ + SO₃ → Al₂(SO₄)₃ ставят коэффициент 3 перед SO₃, после чего число атомов Al, S и O слева и справа совпадает.

Сложные ионы в составе солей

Сначала находят в таблице состав и заряд нужного кислотного остатка. Затем сопоставляют его заряд с зарядом катиона металла и подбирают индексы. Если одинаковых сложных ионов больше одного, всю группу записывают в скобках.

Разбор задач

1. Соль натрия и карбонат-ион

Условие: составьте формулу соли, образованной катионом натрия и карбонат-ионом. Нужно объединить Na⁺ и CO₃²⁻ в нейтральное вещество. Заряды подсказывают, сколько ионов каждого вида потребуется.

1. Записываем ионы: Na⁺ и CO₃²⁻.
2. Один карбонат-ион имеет заряд −2, поэтому нужны два катиона Na⁺ с суммарным зарядом +2.
3. Записываем формулу: Na₂CO₃; скобки не нужны, потому что карбонат-ион встречается один раз.

Ответ: Na₂CO₃, карбонат натрия. Суммарный заряд равен 2 · (+1) − 2 = 0.

2. Реакция CaO + CO₂

Условие: дополните и уравняйте схему CaO + CO₂ → … . Сначала определяем характер оксидов, а затем кислотный остаток продукта. Это позволяет не подбирать формулу случайно.

1. CaO — основной оксид, CO₂ — кислотный оксид, значит, возможна реакция с образованием соли.
2. CO₂ соответствует карбонат-иону CO₃²⁻, а Ca²⁺ соединяется с ним в отношении 1:1.
3. Получаем CaCO₃ и проверяем атомы: по одному Ca, C и по три O с каждой стороны.

Ответ: CaO + CO₂ → CaCO₃. Уравнение уже уравнено, коэффициенты равны единице.

3. Реакция Al₂O₃ с SO₃

Условие: составьте и уравняйте реакцию Al₂O₃ и SO₃, назовите продукт. SO₃ связан с серной кислотой, поэтому в соли будет сульфат-ион SO₄²⁻. Заряд Al³⁺ и заряд сульфат-иона определяют формулу продукта.

1. Для нейтральной соли берём два Al³⁺ и три SO₄²⁻: формула продукта Al₂(SO₄)₃.
2. Составляем схему: Al₂O₃ + SO₃ → Al₂(SO₄)₃.
3. Справа три атома серы, поэтому ставим 3 перед SO₃; кислорода слева становится 3 + 9 = 12, как и справа.

Ответ: Al₂O₃ + 3SO₃ → Al₂(SO₄)₃. Продукт — сульфат алюминия.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что любые два оксида реагируют друг с другом. Так бывает, если ученик запоминает только слово «оксид» и не различает их характер. Проверьте себя: назовите один оксид основным, другой кислотным и убедитесь, что продукт может быть солью.

Ошибка — забыть заряд сложного иона или заменить его неверным. Причина обычно в том, что группу атомов считают по числу атомов, а не по её общему заряду. Сверяйте заряд с таблицей: CO₃²⁻ имеет −2, NO₃⁻ — −1, PO₄³⁻ — −3.

Ошибка — изменять индексы внутри сложного иона или не ставить скобки. Если ионов несколько, группа записывается целиком в скобках, например Al₂(SO₄)₃. Проверяйте, относится ли индекс ко всей группе или только к последнему элементу.

Ошибка — уравнивать реакцию изменением индексов в формулах. Такой способ превращает вещества в другие и нарушает смысл уравнения. Сначала запишите правильные формулы, а затем меняйте только коэффициенты перед ними и пересчитайте атомы.

Связь с другими темами

До этой темы нужно уметь классифицировать оксиды и отличать основные оксиды от кислотных. Без этого невозможно понять, какие пары веществ могут дать соль. Повторите примеры CaO, MgO, CO₂ и SO₃.

При составлении формул понадобятся знания о валентности и зарядах ионов. Они помогают определить соотношение частиц в бинарных соединениях и солях. Особенно важно научиться уравнивать суммарные положительные и отрицательные заряды.

Эти правила пригодятся при изучении кислот, оснований и солей. Они помогают предсказывать продукты реакций и составлять уравнения. Навык сохранения числа атомов затем используется во всех химических реакциях.

Что запомнить

• Основный оксид при взаимодействии с кислотным оксидом может образовать соль.
• Сложный ион — группа атомов с общим зарядом.
• Формулу соли составляют с учётом зарядов катиона металла и кислотного остатка.
• Если в формуле несколько сложных ионов, их заключают в скобки.
• Индексы в формуле вещества при уравнивании реакции не меняют.
• Правильность уравнения проверяют по числу атомов каждого элемента.