§ 27. Реакции гидратации. Гидроксиды, соответствующие оксидам

Определения и обозначения

Реакция гидратации — взаимодействие оксида с водой с образованием соответствующего гидроксида или кислоты. Например, CaO + H₂O → Ca(OH)₂. Это понятие помогает понять, какие продукты появляются при добавлении воды к оксиду.

Гидроксид — сложное вещество, состоящее из атома металла или другого элемента и одной или нескольких гидроксогрупп OH. Гидроксогруппа записывается как OH и в формуле может повторяться: NaOH или Ca(OH)₂. По числу таких групп определяют состав вещества.

Основный гидроксид — гидроксид металла, которому соответствует основный оксид. Если такой гидроксид растворяется в воде, его называют щёлочью, например NaOH. Термин нужен, чтобы отличать все основания от их растворимой части.

Кислотный гидроксид — гидроксид, соответствующий кислотному оксиду; к кислотным гидроксидам относят кислоты. Так, SO₃ соответствует H₂SO₄, а P₂O₅ — H₃PO₄. Такое соответствие связывает формулы оксида и кислоты.

Как это устроено

Основный оксид содержит металл, соединённый с кислородом, и проявляет свойства, связанные с образованием основания. При добавлении воды частицы оксида перестраиваются: металл сохраняется, а вместо кислорода в составе продукта появляются гидроксогруппы OH. Поэтому Na₂O даёт NaOH, а CaO — Ca(OH)₂.

Кислотный оксид обычно образован неметаллом и кислородом и является «кислотной частью» соответствующей кислоты. Вода присоединяет к нему атомы водорода, а кислородный каркас сохраняется в изменённом виде. Например, из SO₃ получается H₂SO₄, потому что к соединению серы(VI) добавляются водород и кислород воды.

Формулу гидроксида определяют по степени окисления элемента в оксиде. Степень окисления показывает условный заряд атома, а группа OH в соединении имеет заряд −1. Поэтому элемент со степенью окисления +2 соединяется с двумя OH, а элемент со степенью окисления +3 — с тремя: Ca(OH)₂ и Fe(OH)₃.

Число групп OH должно сделать всё соединение электрически нейтральным. Если степень окисления элемента равна +1, достаточно одной группы OH: NaOH; при +2 нужны две группы: Ba(OH)₂. Скобки ставят тогда, когда группа OH повторяется, чтобы индекс относился ко всей группе.

Уравнение гидратации составляют так: сначала записывают оксид и воду, затем формулу соответствующего продукта. После этого сравнивают число атомов каждого элемента слева и справа и расставляют коэффициенты. Но реакцию можно записывать только для оксидов, которые действительно взаимодействуют с водой; для CuO или SiO₂ уравнение гидратации не составляют.

Соответствие между оксидами и гидроксидами

В таблице сначала определите тип оксида, затем найдите соответствующий вид гидроксида и проверьте уравнение. Если возле оксида указано отсутствие реакции, продукт гидратации не записывают.

Разбор задач

Задача 1

Условие: определить продукт реакции BaO + H₂O → ? и составить уравнение. Оксид бария — основный, поэтому его продуктом будет основание. Барий имеет степень окисления +2, значит, основание содержит две группы OH.

1. Записываем формулу продукта: Ba(OH)₂.
2. Составляем схему: BaO + H₂O → Ba(OH)₂.
3. Проверяем атомы: слева один Ba, два O и два H; справа столько же. Коэффициенты равны единице.

Ответ: BaO + H₂O → Ba(OH)₂. Получается гидроксид бария, растворимое основание.

Задача 2

Условие: составить уравнение реакции гидратации оксида фосфора(V): P₂O₅ + H₂O → ?. Это кислотный оксид, поэтому образуется кислота, соответствующая фосфору(V). Формула кислоты — H₃PO₄.

1. Записываем продукты: P₂O₅ + H₂O → H₃PO₄.
2. Уравниваем фосфор: слева два атома P, поэтому ставим 2 перед H₃PO₄.
3. Справа теперь шесть H и восемь O; после P₂O₅ остаются три атома O и шесть H, значит, ставим 3 перед H₂O.

Ответ: P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄. Проверка показывает по два атома P, восемь O и шесть H с каждой стороны.

Задача 3

Условие: для Na₂O, SO₂, Fe₂O₃ и SiO₂ определить вещества, реагирующие с водой. Сначала классифицируем оксиды, а затем учитываем их способность к гидратации. Основный или кислотный характер сам по себе ещё не гарантирует реакцию с водой.

1. Na₂O — активный основный оксид: Na₂O + H₂O → 2NaOH.
2. SO₂ — кислотный оксид: SO₂ + H₂O → H₂SO₃.
3. Fe₂O₃ и SiO₂ с водой при обычных условиях не реагируют, поэтому уравнения для них не записываем.

Ответ: гидратируются Na₂O и SO₂; образуются NaOH и H₂SO₃. Для Fe₂O₃ и SiO₂ реакции гидратации нет.

Типичные ошибки

Первая ошибка — записывать реакцию с водой для любого оксида. Так поступают, потому что смешивают правило о соответствии оксида и гидроксида с условием реального взаимодействия. Проверяйте активность вещества: если оксид с водой не реагирует, ставьте отметку «реакции нет».

Вторая ошибка — неверно определять число групп OH. Обычно забывают, что каждая OH имеет заряд −1, и не учитывают степень окисления элемента. Составьте баланс зарядов: для Ca²⁺ нужны две OH, а для Al³⁺ — три.

Третья ошибка — путать основной и кислотный оксид. Из-за этого вместо основания записывают кислоту или наоборот, особенно если формула непривычна. Сначала определите характер оксида и только потом выбирайте тип продукта.

Четвёртая ошибка — оставлять уравнение без коэффициентов. При этом число атомов слева и справа не совпадает, нарушается закон сохранения вещества. После записи реакции пересчитайте атомы каждого элемента в обеих частях.

Связь с другими темами

Для изучения гидратации нужны знания о составе и классификации оксидов, степенях окисления, валентности и правилах составления формул бинарных соединений. Без этого трудно определить тип оксида и число групп OH в продукте.

Тема опирается на понятия кислот, оснований и щелочей, а также на навыки составления и уравнивания реакций. Гидратация показывает, как эти классы веществ связаны между собой.

Полученные знания пригодятся при изучении свойств кислот, оснований и солей, генетических рядов веществ и цепочек превращений. По соответствию «оксид — гидроксид» можно предсказывать продукты многих реакций.

Что запомнить

• Гидратация — реакция оксида с водой.
• Основные оксиды при взаимодействии с водой образуют основания.
• Кислотные оксиды при взаимодействии с водой образуют кислоты.
• Число групп OH в гидроксиде определяется степенью окисления элемента.
• Не все оксиды реагируют с водой.
• Формулы продуктов и коэффициенты в уравнениях нужно проверять по составу атомов.
• Растворимые основания называют щёлочами.