Основные законы химии

Кислоты делятся на кислородосодержащие  и бескислородные. Например, серная (H₂SO₄) и азотная (HNO₃) кислоты – кислородосодержащие, а соляная (HCl) и сероводородная (H₂S) – бескислородные.

Кислоты различают по основности. Основность кислот определяется числом атомов водорода, способных замещаться на металл.

Кислоты бывают разной силы, что характеризуется  их степенью диссоциации. У сильных кислот степень диссоциации близка к единице, а у слабых – значительно меньше единицы.

Слабые  кислоты диссоциируют ступенчато. Например, угольная кислота диссоциирует в две ступени:

Названия кислотных остатков, полученных при ступенчатой диссоциации кислот, образуются прибавлением приставки гидро- или дигидро- (по числу оставшихся в анионе ионов водорода) к названию кислотного остатка, полученного при полной диссоциации кислоты. Например, ион СО₃^2- называется карбонат-ионом, а ион НСО₃^- - гидрокарбонат-ионом, ион РО₄^3- называется фосфат-ионом (или ортофосфат-ионом), ион HPO₄^2- – гидрофосфат-ионом, а ион Н₂РО₄^- - дигидрофосфат-ионом).

В таблице приведены формулы  и названия некоторых кислот и их кислотных остатков.

Таблица

 

Формулы и названия кислот и кислотных  остатков

 

Формула кислоты	Название кислоты	Кислотный остаток (анион)	Название аниона
HCl	Сильные кислоты Соляная (хлористо-водородная)	Cl-	Хлорид
HBr	Бромисто-водородная	Br-	Бромид
HJ	Йодисто-водородная	J-	Иодид
HNO3	Азотная	NO3-	Нитрат
H2SO4	Серная	SO42 HSO4-	Сульфат Гидросульфат
HF	Слабые кислоты Фтористо-водородная	F-	Фторид
HNO2	Азотистая	NO2-	Нитрит

 

Формулы и названия кислот и кислотных  остатков

 

H2S	Сероводородная	S2- HS-	Сульфид Гидросульфид
H2SO3	Сернистая	SO32- HSO3-	Сульфит Гидросульфит
H2CO3	Угольная	CO32- HCO3-	Карбонат Гидрокарбонат
H2SiO3	Кремниевая	SiO32- HSiO3-	Силикат Гидросиликат
H3PO4	Ортофосфорная(фосфорная)	PO43- HPO42-   H2PO4-	Фосфат Гидрофосфат Дигидрофосфат

 

Основаниями называются электролиты, при диссоциации которых в качестве анионов образуются только гидроксид-ионы (ОН^-).

Основания имеют формулу Me(OH)_n, где Ме - ион металла; ОН^- - гидроксильная группа; n - количество гидроксильных групп, численно равное заряду иона металла (n+), например, K⁺OH,Ca²⁺(OH)_2.

Запишем уравнение диссоциации основания на примере КОН

КОНÛК⁺+ОН^-

Названия гидроксидов  образуются из слова гидроксид и  названия металла: NaOH - гидроксид натрия, Ba(OH)₂ - гидроксид бария. Если металл имеет переменную степень окисления, то в скобках указывается римской цифрой степень окисления металла в данном основании: Fe(OH)₂ - гидроксид железа (П), Fe(OH)₃ - гидроксид железа (Ш). Некоторые гидроксиды имеют специфические названия, например, гидроксид калия - едкое кали, гидроксид натрия - едкий натр, гидроксид кальция - гашеная известь.

Число гидроксильных  групп в формуле основания  определяет его кислотность. Например, NH₄OH - однокислотное основание, Cu(OH)₂ - двухкислотное.

Названия катионов, содержащих, кроме металла, гидроксильные ионы. образуются из названия металла с прибавлением приставки гидроксо-, причем, если в состав катиона входят две гидроксогруппы, то название будет включать приставку дигидроксо-. Так, катион, образующийся на первой стадии диссоциации гидроксида алюминия, Al(OH)₂⁺, называется ионом дигидроксоалюминия, а катион, образующийся на второй стадии, Al(OH)²⁺ - ионом гидроксоалюминия.

Основания подразделяются на растворимые и нерастворимые, а также сильные и слабые. Так, все гидроксиды 1А группы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева, например, NaOH, KOH, а также гидроксиды щелочно-земельных металлов, Ca(OH)₂, Sr(OH)₂, Ba(OH)₂ - хорошо растворимые соединения и сильные электролиты. Они называются щелочами. Большинство гидроксидов других металлов плохо растворяются в воде и являются слабыми электролитами. Гидроксид аммония, NH₄OH, диссоциирующий по уравнению NH₄OH Û NH₄⁺+OH^-, является слабым электролитом, но хорошо растворим в воде.

Существуют гидроксиды, способные проявлять как свойства кислот, так и свойства оснований. Такие гидроксиды называются амфотерными. К ним относятся, например, Be(OH)₂, Zn(OH)₂, Al(OH)₃, Cr(OH)₃ и др.

Солями называются электролиты, полученные при замещении ионов водорода в кислоте на ионы металла или гидроксид-ионов основания на анионы кислотного остатка.

При полном замещении образуются средние соли, например, K₂SO₄, Al(NO₃)₃, CuCO₃. Средние соли состоят из ионов металла и ионов кислотного остатка, полученного при полном отщеплении всех ионов водорода в процессе диссоциации кислоты.

Названия средних солей складываются из названия кислотного остатка и названия металла. При этом, если металл имеет переменную валентность, то она указывается римской цифрой. Например, K₂SO₄ – сульфат калия, Al(NO₃)₃ – нитрат алюминия, CuCO₃ – карбонат меди (II).

При неполном замещении водорода в кислоте на металл образуются кислые соли. В этом случае кислотный остаток содержит один или два иона водорода, и соли называются в соответствии с названиями анионов, например, K₂HPO₄ – гидрофосфат калия, KH₂PO₄ – дигидрофосфат калия. Кислые соли образуют только многоосновные кислоты.

Основные соли являются продуктом  неполного замещения гидроксид-ионов в основании на анионы кислотного остатка. В основных солях катион состоит из иона металла и одного или двух гидроксид-ионов. Если в состав катиона входит один гидроксид-ион, то к названию металла добавляется приставка гидроксо- , а если два, - то дигидроксо-, например CuOHCl – хлорид гидроксомеди (II), Al(OH)₂NO₃ – нитрат дигидроксоалюминия. Основные соли образуют только многокислотные основания.

Помимо средних, кислых и основных солей, существуют также двойные, смешанные и комплексные соли, которые в данной работе не рассматриваются.

Кислоты, основания и соли - это  электролиты. К неорганическим соединениям относится еще один класс соединений, которые не являются электролитами, - оксиды.

Оксидами называются вещества, состоящие из двух элементов, одним из которых является кислород.

Примеры оксидов: NO, NO₂, Mn₂O₇, ZnO, K₂O.

Названия оксидов образуются из слова “оксид” и названия элемента, образующего оксид, с указанием степени окисления этого элемента, которая записывается в скобках римской цифрой. Так, первые три из указанных оксидов называются: NO - оксид азота (П), NO₂ - оксид азота (IV), Mn₂O₇ -оксид марганца (VII). В названиях последних трех оксидов не указывается степень окисления элемента, поскольку она постоянна для этих элементов: Al₂O₃ - оксид алюминия, ZnO оксид цинка, K₂O - оксид калия.

Оксиды по химическим свойствам  подразделяются на солеобразующие и несолеобразующие, или безразличные. К солеобразующим оксидам относятся такие оксиды, которые при взаимодействии с кислотами или основаниями, а иногда и с кислотами, и с основаниями образуют соль. Безразличные оксиды не реагируют ни с кислотами, ни с основаниями. К ним относятся NO, N₂O, CO.

Солеобразующие оксиды способны образовывать соли. Они делятся на основные, кислотные и амфотерные.

Основные оксиды - это  оксиды, которым соответствуют основания.

Так, оксиду натрия соответствует  основание NaOH, а оксиду кальция CaO - основание Ca(OH)₂.

Кислотные оксиды – это оксиды, которым соответствуют кислоты.

Оксиду углерода (IV) - СО₂ - соответствует угольная кислота Н₂СО₃, оксиду фосфора (V) - Р₂О₅ - фосфорная кислота, H₃PO₄.

Кислотные оксиды иначе называются ангидридами соответствующих кислот, например, Р₂О₅ – фосфорный ангидрид, СО₂ – угольный ангидрид.

Степень окисления элемента, образующего  кислотный оксид, равна степени окисления этого элемента в соответствующей кислоте. Так, степень окисления углерода в СО₂ и Н₂СО₃ равна +4, а степень окисления фосфора в Р₂О₅ и Н₃РО₄ равна +5.

Амфотерными оксидами называются оксиды, которым соответствуют  амфотерные гидроксиды, проявляющие свойства как кислоты, так и основания.

Так, оксид цинка ZnO - амфотерный оксид, ему соответствует амфотерный гидроксид Zn(OH)₂, оксид хрома (III) - Cr(OH)₃ - тоже амфотерен, ему соответствует амфотерный гидроксид Cr(OH)₃. Амфотерные оксиды проявляют свойства как основных, так и кислотных оксидов.

Неорганические соединения (оксиды, кислоты, основания и соли) вступают в многочисленные реакции  между собой, которые можно проследить на примере методов получения этих соединений.

Методы получения  оксидов

1. Непосредственное взаимодействие  элемента с кислородом

S+O₂=SO₂

2Ca+O₂=2CaO

2. Окисление кислородом  сложных веществ

2ZnS+3O₂=2ZnO+2SO₂

3. Разложение кислот, оснований и солей

H₂SiO₃

H₂O+SiO₂

2Al(OH)₃

3H₂O+Al₂O₃

CaCO₃

CaO+CO₂

Методы получения  оснований

1. Щелочи получают  взаимодействием щелочных и щелочно-земельных  металлов с водой, при этом выделяется водород

2K+2H₂O=2KOH+H₂

2. Щелочи образуются  при взаимодействии соответствующих  основных оксидов с водой

Na₂O+H₂O=2NaOH

BaO+H₂O=Ba(OH)₂

3. Нерастворимые в  воде основания получают обменной  реакцией между солью и щелочью

AlCl₃+3NaOH=Al(OH)₃+3NaCl

Методы получения кислот

1. Бескислородные кислоты можно  получать синтезом из водорода  и соответствующего неметалла  с последующим растворением образовавшегося  газообразного водородного соединения в воде

H₂+Cl₂=2HCl

H₂+S=H₂S

2. Кислородсодержащие кислоты получают взаимодействием кислотных оксидов (ангидридов кислот) с водой

N₂O₅+H₂O=2HNO₃

SO₃+H₂O=H₂SO₄

3. Кислоты можно получать действием  другой кислоты на соответствующую соль, при этом сильные кислоты вытесняют слабые из их солей

K₂S+2HCl=2KCl+H₂S

Методы получения солей

1. Реакция нейтрализации  (взаимодействие кислоты с основанием)

Ca(OH)₂+2HCl=CaCl₂+2H₂O

2. Взаимодействие металла  с неметаллом

2Fe+3Cl₂=2FeCl₃

3. Взаимодействие металла с кислотой. Это взаимодействие идет по  разному в зависимости от характера  металла и характера кислоты.

Все металлы расположены  в так называемом ряду напряжений, в который включен также и водород.

Ряд напряжений (сокращенный)

Zi K Ca Na Mg Al Zn Fe Pb H Cu Ag Au

Металлы, стоящие в  ряду напряжений до водорода, реагируют с кислотами с образованием соли и выделением водорода: Ca+2HCl® CaCl₂ +H₂ .

Металлы, стоящие после  водорода, не вытесняют водород из кислот: Cu+HCl¹.

Однако при взаимодействии металлов, независимо от их положения  в ряду напряжений, с концентрированной  серной кислотой и азотной кислотой любой концентрации водород не выделяется:

4Zn+10HNO₃=4Zn(NO₃)₂+NH₄NO₃+3H₂O

4Zn+5H₂SO_{4 (конц.)}=4ZnSO₄+H₂S+4H₂O,

но Zn+H₂SO_{4 (разбавл.)}=ZnSO₄+H₂.

4. Взаимодействие металла  с солью. Реакция протекает  в том случае, если реагирующий металл стоит в ряду напряжений левее металла, входящего в состав соли

Fe+CuSO₄=FeSO₄+Cu

5. Взаимодействие основного  оксида с кислотным

CaO+SO₃=CaSO₄

6. Взаимодействие основного  оксида с кислотой

CuO+2HCl=CuCl₂+H₂O

7. Взаимодействие кислотного  оксида с основанием

CO₂+2NaOH=Na₂CO₃+H₂O

8. Взаимодействие соли  с кислотой

Na₂CO₃+2HCl = 2NaCl+H₂CO₃

9. Взаимодействие соли  со щелочью

CrCl₃+3NaOH=Cr(OH)₃¯+3NaCl

10. Взаимодействие между собой  двух солей в растворе. Эта  реакция происходит реально в том случае, если одна из образующих солей выпадает в осадок

AgNO₃+NaCl=AgCl¯+NaNO₃

11. Чтобы превратить среднюю  соль в кислую, надо добавить  соответствующей кислоты

CaCO₃+H₂CO = Ca(HCO₃)_{2        ¥}

Вновь превратить кислую соль в среднюю можно действием  соответствующего основания