§ 8. Важнейшие классы неорганических веществ. Реакции ионного обмена

Определения и обозначения

Оксид — сложное вещество из двух элементов, один из которых кислород: например, CaO и SO₃. Солеобразующие оксиды вступают в реакции с кислотами или основаниями и дают соли, а несолеобразующие обычно не образуют солей в таких реакциях. Такое деление помогает предсказывать химические свойства оксида.

Кислота — сложное вещество, которое в водном растворе образует катионы водорода H⁺ и анионы кислотного остатка. Например, HCl распадается на H⁺ и Cl⁻, а H₂SO₄ — на H⁺ и SO₄²⁻. По этому составу можно распознавать кислоты и записывать их реакции с другими веществами.

Основание — сложное вещество, состоящее из катиона металла и одной или нескольких гидроксид-групп OH⁻: NaOH, Cu(OH)₂. Растворимые в воде основания называют щёлочами, а нерастворимые обычно называют нерастворимыми гидроксидами. Различие важно при составлении ионных уравнений: в растворе щёлочь распадается на ионы, а осадок Cu(OH)₂ — нет.

Соль — сложное вещество, состоящее из катионов металла или аммония NH₄⁺ и анионов кислотного остатка: Na₂CO₃, Al₂(SO₄)₃. Заряды этих частиц в формуле должны взаимно компенсироваться. Поэтому по составу соли можно определить её ионы и возможные реакции обмена.

Как это устроено

Состав формулы определяется зарядами частиц, входящих в соединение. Например, Al³⁺ и SO₄²⁻ дают общий заряд 0 в соотношении 2 : 3: Al₂(SO₄)₃. Индексы показывают число ионов или групп, а коэффициенты перед формулами — число частиц в уравнении; смешивать эти обозначения нельзя.

Классы веществ связаны взаимными превращениями, потому что их частицы способны реагировать друг с другом. Основной оксид с кислотой образует соль и воду, например CuO + 2HCl → CuCl₂ + H₂O; кислотный оксид с основанием даёт соль и воду: CO₂ + 2NaOH → Na₂CO₃ + H₂O. Кислоты, основания и соли также обмениваются составными частями, если продукты оказываются устойчивыми.

Реакция ионного обмена протекает в растворе между электролитами, то есть веществами, распадающимися на ионы. Обмен становится практически необратимым, когда один из продуктов удаляется из раствора: выпадает в осадок, превращается в газ или образует слабый электролит. Например, H⁺ и OH⁻ соединяются в воду, поэтому реакция нейтрализации идёт до конца.

Уравнение составляют в три этапа. Сначала записывают молекулярную схему, затем растворимые сильные электролиты разделяют на ионы и получают полное ионное уравнение, а одинаковые ионы слева и справа сокращают. Осадки, газы, воду и слабые электролиты не расщепляют; в конце проверяют и атомы, и суммарный заряд каждой части уравнения.

Состав и характерные реакции важнейших классов неорганических веществ

Сначала определите класс по общему составу, а затем сравните предполагаемые реагенты с характерными реакциями. Для обмена в растворе дополнительно проверьте растворимость продуктов и возможность образования газа или воды. Таблица показывает общую схему, но конкретное уравнение всегда требует проверки коэффициентов и условий.

Разбор задач

Задача 1. Составьте формулу сульфата алюминия по зарядам Al³⁺ и SO₄²⁻ и определите класс вещества. Нужно подобрать такие индексы, чтобы общий заряд соединения был нулевым. Поскольку в составе есть металл и кислотный остаток, получившееся вещество относят к солям.

1. Наименьшее общее кратное чисел 3 и 2 равно 6.
2. Для заряда +6 нужны два иона Al³⁺, а для заряда −6 — три иона SO₄²⁻.
3. Записываем формулу: Al₂(SO₄)₃; скобки нужны, потому что группа SO₄ повторяется.

Ответ: Al₂(SO₄)₃ — соль, сульфат алюминия.

Задача 2. Запишите три формы уравнения реакции BaCl₂ и Na₂SO₄. По таблице растворимости BaSO₄ нерастворим, поэтому появляется осадок и обмен протекает до конца.

1. Молекулярное: BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl.
2. Полное ионное: Ba²⁺ + 2Cl⁻ + 2Na⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ + 2Na⁺ + 2Cl⁻.
3. Сокращаем Na⁺ и Cl⁻: Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓.

Ответ: сокращённое ионное уравнение показывает образование осадка сульфата бария; Na⁺ и Cl⁻ — ионы-наблюдатели.

Задача 3. Определите, идёт ли реакция смешанных растворов Na₂CO₃ и HCl. Карбонат-ион с H⁺ сначала образует H₂CO₃, но эта слабая кислота разлагается на воду и CO₂, поэтому появляется газ.

1. Молекулярное: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂↑.
2. Полное ионное: 2Na⁺ + CO₃²⁻ + 2H⁺ + 2Cl⁻ → 2Na⁺ + 2Cl⁻ + H₂O + CO₂↑.
3. Убираем Na⁺ и Cl⁻: CO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂O + CO₂↑.

Ответ: реакция протекает с выделением газа; в сокращённом уравнении сохранены атомы углерода, водорода, кислорода и суммарный заряд −2.

Типичные ошибки

Растворимые сильные электролиты иногда оставляют в ионном уравнении молекулами. Так делают, потому что начинают с молекулярной записи и забывают о частицах раствора. Проверьте растворимость и силу электролита: NaCl, HCl и NaOH в воде нужно представить ионами.

Осадки, газы, воду и слабые электролиты ошибочно разлагают на ионы. Причина — механическое применение правила ко всем веществам подряд, хотя эти частицы не существуют в растворе как свободный набор ионов. Если продукт отмечен стрелкой осадка или газа либо является водой, оставьте его формулой.

Иногда считают, что любой обмен между двумя растворами означает реакцию. На самом деле без осадка, газа или слабого электролита ионы просто остаются в растворе, поэтому движущей силы нет. Перед записью уравнения проверьте таблицу растворимости и свойства продуктов.

При сокращении можно случайно убрать разные ионы или не проверить заряд. Сокращают только частицы с одинаковыми формулами и коэффициентами в обеих частях уравнения. После сокращения пересчитайте атомы и суммарный заряд слева и справа.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны представления о строении атома и ионов, валентности, степенях окисления и зарядах ионов. Также понадобятся навыки составления химических формул и расстановки коэффициентов, потому что ионное уравнение должно сохранять состав вещества и электрический баланс.

Классификация веществ и таблица растворимости пригодятся при изучении свойств элементов и соединений. Эти знания используются в качественных реакциях на ионы, при распознавании веществ и в расчётах по химическим уравнениям.

Что запомнить

• Оксид содержит два элемента, один из которых — кислород.
• Кислота в растворе образует катионы H⁺ и анионы кислотного остатка.
• Основание содержит катион металла и гидроксид-группы OH⁻.
• Соль состоит из катионов металла или аммония и анионов кислотного остатка.
• Ионный обмен в растворе протекает до конца при образовании осадка, газа или слабого электролита.
• В сокращённом ионном уравнении оставляют только частицы, участвующие в превращении.
• В ионных уравнениях должны сохраняться и число атомов, и суммарный заряд.