§ 26. Реакции дегидратации. Соответствие между гидроксидами и оксидами

Определения и обозначения

Реакция дегидратации — реакция удаления воды из вещества, часто при нагревании. Слово образовано от названий «де» — удаление и «гидратация» — соединение с водой. Этот термин помогает понять, почему среди продуктов появляется H₂O.

Гидроксид — сложное вещество, состоящее из атомов металла или водорода и гидроксогрупп OH. Гидроксогруппа записывается как OH и обычно присоединяется к атому элемента целиком. По числу таких групп и валентности элемента составляют формулу вещества.

Соответствующий оксид — оксид, который можно получить из гидроксида удалением воды. Например, для Cu(OH)₂ таким оксидом является CuO. Это понятие позволяет быстро определить продукты реакции разложения.

Основный и кислотный оксид — типы оксидов, соответствующие основным и кислотным гидроксидам. Основный оксид обычно образуется из гидроксида металла, а кислотный — из кислотного гидроксида, например H₂SO₄. Такое соответствие связывает между собой разные классы неорганических веществ.

Как это устроено

В гидроксиде уже есть атомы элемента, кислорода и водорода. При нагревании частицы вещества могут перегруппироваться так, чтобы две группы OH дали молекулу воды, а оставшиеся атомы образовали оксид. Поэтому продуктами становятся оксид и H₂O, а не свободный металл и вода: для восстановления металла нужны другие условия и реагенты.

Формула оксида определяется валентностью элемента. Если металл двухвалентен, две группы OH соответствуют одному атому кислорода в оксиде: M(OH)₂ → MO + H₂O. Если металл трёхвалентен, для выравнивания числа атомов нужны две частицы гидроксида и получается M₂O₃: 2M(OH)₃ → M₂O₃ + 3H₂O.

Чтобы составить уравнение, сначала находят оксид по валентности, затем записывают воду и только после этого подбирают коэффициенты. Коэффициенты должны сохранить число атомов каждого элемента, а не просто число гидроксогрупп. Так, в 2Fe(OH)₃ → Fe₂O₃ + 3H₂O слева и справа по два атома железа, шесть атомов водорода и шесть атомов кислорода.

Основной гидроксид и соответствующий ему оксид проявляют основные свойства, а кислотный гидроксид и его оксид — кислотные. Это не случайное совпадение: при удалении воды сохраняется связь между природой элемента и характером соединения. Устойчивость гидроксидов различается, потому что их частицы имеют разное строение и разную прочность связей; поэтому одним достаточно обычного нагревания, а другие почти не разлагаются.

Соответствие между гидроксидами и оксидами

Сначала найдите в таблице тип исходного гидроксида и его валентность, затем выберите формулу оксида. После этого проверьте, подходит ли условие нагревания и нужно ли ставить коэффициенты. Таблица показывает общий принцип, но сама по себе не доказывает, что любой гидроксид обязательно разложится.

Разбор задач

Задача 1. Составьте и уравняйте реакцию разложения Cu(OH)₂ при нагревании.

Условие: дан гидроксид меди(II) Cu(OH)₂. Требуется записать продукты его разложения при нагревании. Нужно определить оксид меди и проверить баланс атомов.

1. Медь в исходном веществе двухвалентна, поэтому соответствующий оксид имеет формулу CuO.
2. Записываем схему: Cu(OH)₂ → CuO + H₂O. Две группы OH дают одну молекулу воды, а оставшиеся Cu и O образуют CuO.
3. Проверяем атомы: меди по одному, водорода по два, кислорода по два с каждой стороны. Коэффициенты равны единице.

Ответ: Cu(OH)₂ → CuO + H₂O, t°. Это реакция дегидратации основного гидроксида с образованием основного оксида.

Задача 2. Определите формулу оксида, соответствующего Fe(OH)₃, и составьте уравнение реакции.

Условие: дан гидроксид железа(III) Fe(OH)₃. По валентности железа нужно найти оксид, а затем записать реакцию при нагревании. Коэффициенты нельзя подбирать только по числу групп OH.

1. Железо имеет валентность III, кислород — II, поэтому формула оксида составляется перекрёстно: Fe₂O₃.
2. Записываем схему Fe(OH)₃ → Fe₂O₃ + H₂O. Для образования Fe₂O₃ нужны два атома железа, значит ставим коэффициент 2 перед Fe(OH)₃.
3. Слева теперь шесть групп OH, из них образуются три молекулы воды. Получаем 2Fe(OH)₃ → Fe₂O₃ + 3H₂O и проверяем все атомы.

Ответ: соответствующий оксид — Fe₂O₃; уравнение: 2Fe(OH)₃ → Fe₂O₃ + 3H₂O, t°.

Задача 3. Составьте уравнение дегидратации H₂SO₄ и определите тип оксида.

Условие: серная кислота H₂SO₄ рассматривается как кислотный гидроксид. Нужно удалить из её состава воду и определить свойства оставшегося оксида. При записи важно сохранить атом серы.

1. В формуле H₂SO₄ мысленно выделяем H₂O. Оставшиеся атомы дают SO₃, поэтому соответствующий оксид — оксид серы(VI).
2. Записываем уравнение H₂SO₄ → SO₃ + H₂O. Число атомов серы, водорода и кислорода уже одинаково слева и справа.
3. SO₃ является кислотным оксидом, потому что ему соответствует кислотный гидроксид H₂SO₄. Реакцию относят к дегидратации и указывают условие, если оно требуется.

Ответ: H₂SO₄ → SO₃ + H₂O; образуется кислотный оксид SO₃.

Типичные ошибки

Металл вместо оксида. Иногда записывают Cu вместо CuO, потому что путают дегидратацию с восстановлением. При удалении воды кислород не исчезает полностью: он входит в состав оксида. Проверьте, остались ли в продуктах атомы кислорода.

Неверная формула оксида. Индекс у OH не всегда можно просто перенести в формулу оксида. Он связан с валентностью элемента, поэтому для Fe(OH)₃ получается Fe₂O₃, а не FeO₃. Сначала определите валентности и составьте формулу по общим правилам.

Нарушен баланс атомов. Ошибка возникает, если не учесть все группы OH и подобрать коэффициенты наугад. Сосчитайте отдельно атомы каждого элемента слева и справа. Число водорода и кислорода особенно удобно проверять через образовавшуюся воду.

Разлагают любой гидроксид. Нагревание само по себе не гарантирует реакцию для всех веществ. Одни гидроксиды неустойчивы, другие при обычных условиях сохраняются. Уточняйте устойчивость вещества и условие реакции, а не ставьте стрелку разложения автоматически.

Связь с другими темами

• До изучения темы нужны состав и названия оксидов и гидроксидов, понятие валентности, правила составления формул и уравнивания реакций. Без этого трудно определить соответствующий оксид.
• Знание дегидратации помогает изучать свойства оснований, кислот и амфотерных гидроксидов. Оно также показывает генетическую связь между классами неорганических веществ.
• Эти реакции пригодятся при распознавании продуктов нагревания. По уравнению дегидратации можно решать расчётные задачи о массах и количествах веществ.

Что запомнить

• Дегидратация — это удаление воды из вещества.
• При нагревании многие гидроксиды разлагаются на оксид и воду.
• Формула соответствующего оксида определяется валентностью элемента.
• Основному гидроксиду соответствует основный оксид.
• Кислотному гидроксиду соответствует кислотный оксид.
• Уравнение реакции дегидратации обязательно нужно уравнивать.
• Не все гидроксиды разлагаются при нагревании.