РЕАКЦИИ ИОННОГО ОБМЕНА В РАСТВОРАХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ
В третьем задании предлагается записать уравнения реакций кислотно-основного взаимодействия (в том числе реакций ионного обмена) с участием кислот, оснований, солей и оксидов.
Оксиды делятся на две большие группы: солеобразующие и несолеобразующие. Солеобразующие оксиды способны вступать в химические реакции с образованием солей. Солеобразующие оксиды в свою очередь подразделяются на кислотные, основные и амфотерные. Для несолеобразующих оксидов (NO, N2O, CO) такие реакции нехарактерны.
Кислотные оксиды образуют неметаллы (CO2, SiO2, SO2, SO3, B2O3, N2O3, N2O5, P2O5, Cl2O7), а также металлы в степени окисления +5, +6, +7 (V2O5, CrO3, Mn2O7). Очень многие кислотные оксиды реагируют с водой, образуя кислоты (SiO2 с водой не реагирует; соответствующая этому оксиду кислота (H2SiO3) получается косвенным путём). Для того чтобы из формулы кислотного оксида вывести формулу соответствующей кислоты, необходимо записать атомы водорода (H), атомы образующего кислоту элемента, и атомы кислорода (O); при этом в большинстве случаев формула пересчитывается на один атом элемента, образующего кислоту:
SO3 + H2O → H2SO4; SO2 + H2O → H2SO3;
CO2 + H2O → H2CO3 B2O3 + H2O → [H2B2O4] → HBO2;
N2O5 + H2O → [H2N2O6] → HNO3; P2O5 + H2O → [H2P2O6] → HPO3;
P2O5 + 3H2O → [H6P2O8] → H3PO4; Mn2O7 + H2O → [H2Mn2O8] → HMnO4
Кислотные оксиды способны взаимодействовать со щелочами, образуя соль соответствующей кислоты и воду: Например, SiO2 реагирует с гидроксидом натрия при сплавлении:
SiO2 + 2 NaOH ® Na2SiO3 + H2O
При действии сильной кислоты (например, H2SO4) на образовавшуюся соль, можно получить кислоту, соответствующую данному кислотному оксиду:
Na2SiO3 + H2SO4 ® H2SiO3¯ + Na2SO4
(сильная кислота вытесняет из соли слабую кислота)
К основным относятся все оксиды, образованные щелочными и щелочноземельными металлами, а также некоторые оксиды образованные другими металлами в степени окисления не выше +3. Примеры основных оксидов: Na2O, CaO, MgO, BaO, NiO, FeO, MnO и др. Оксиды щелочных и щелочноземельных металлов реагируют с водой, образуя сильные основания (щёлочи):
Na2O + H2O ® 2 NaOH; CaO + H2O ® Ca(OH)2
Остальные основные оксиды с водой не реагируют; соответствующие им основания получают косвенным путём.
Основные оксиды реагируют с кислотами, образуя соль и воду:
FeO + 2HCl ® FeCl2 + H2O
Действием щёлочи на образующуюся соль можно получить осадок гидроксида металла – основания, соответствующего данному основному оксиду:
FeCl2 + 2 NaOH ® Fe(OH)2¯ + 2NaCl
Основные оксиды способны взаимодействовать с кислотными оксидами, образуя соли:
Na2O + SiO2 ® Na2SiO3 (при сплавлении);
CaO + CO2 ® CaCO3 (при обычных условиях).
Амфотерные оксиды – это оксиды, которые в зависимости от условий реакции могут проявлять свойства как кислотных, так и основных оксидов. Примеры амфотерных оксидов: BeO, ZnO, Al2O3, Cr2O3, Fe2O3, Sb2O3, SnO, SnO2, PbO, PbO2, MnO2.
В реакциях с кислотами амфотерные оксиды ведут себя как основные оксиды:
ZnO + 2 HNO3 ® Zn(NO3)2 + H2O;
Fe2O3 + 6 HCl ® 2 FeCl3 + 3 H2O
Свои кислотные свойства амфотерные оксиды (и гидроксиды) проявляют в реакциях со щелочами. Следует учитывать, что амфотерные оксиды (и гидроксиды) по-разному реагируют с растворами щелочей и с твёрдыми щелочами при сплавлении.
С растворами щелочей амфотерные оксиды (и гидроксиды) взаимодействуют образуя комплексные соединения – гидроксокомплексы – в состав которых входят гидроксогруппы:
Zn(OH)2 + 2NaOH ® Na2[Zn(OH)4] Be(OH)2 + 2NaOH ® Na2[Be(OH)4]
ZnO + 2NaOH + H2O ® Na2[Zn(OH)4] BeO + 2NaOH + H2O ® Na2[Be(OH)4]
Следует отметить, что оксиды цинка и бериллия ZnO и BeO отличается по составу от гидроксидов Zn(OH)2 и Be(OH)2 на одну молекулу воды, которую пришлось дописать в левой части уравнений реакций этих оксидов с водным раствором щёлочи.
В реакциях амфотерных оксидов и гидроксидов трёхвалентных металлов, например, алюминия могут образоваться Na[Al(OH)4] или Na3[Al(OH)6]:
Al(OH)3 + NaOH ® Na[Al(OH)4]
Al2O3 + 2NaOH + 3H2O ® 2Na[Al(OH)4]
Al(OH)3 + 3NaOH ® Na3[Al(OH)6]
Al2O3 + 6NaOH + 3H2O ® 2Na3[Al(OH)6]
Fe(OH)3 и Fe2O3 с растворами щелочей не взаимодействуют; амфотерность этих соединений проявляется в реакциях, протекающих при сплавлении с твёрдыми щелочами при высокой температуре.
При сплавлении амфотерных гидроксидов и оксидов с твёрдыми щелочами амфотерные оксиды ведут себя как кислотные оксиды (а амфотерные гидроксиды как кислоты). Например, гидроксид цинка Zn(OH)2 можно рассматривать не только как основание, но и как цинковую кислоту H2ZnO2 а оксид ZnO как оксид, соответствующий этой кислоте; очевидно, что в реакциях Zn(OH)2 и ZnO со щёлочью образуются соли цинковой кислоты H2ZnO2 (цинкаты) и вода:
Zn(OH)2 + 2NaOH ® Na2ZnO2 + 2H2O
ZnO + 2NaOH ® Na2ZnO2 + H2O
Аналогичные реакции протекают при сплавлении Be(OH)2 и BeO с твёрдыми щелочами: Be(OH)2 ведёт себя как бериллиевая кислота H2BeO2 а амфотерный оксид BeO как кислотный оксид, соответствующий этой кислоте. Образующаяся соль Na2BeO2 называется бериллат натрия:
Be(OH)2 + 2NaOH ® Na2BeO2 + 2H2O
BeO + 2NaOH ® Na2BeO2 + H2O.
Если в реакции сплавления со щёлочью участвует амфотерный оксид или гидроксид трёхвалентного(Al2O3, Al(OH)3; Cr2O3, Cr(OH)3, Fe2O3, Fe(OH)3) или четырёхвалентного (SnO2, Sn(OH)4) металла, то получающаяся в результате реакции соль обычно образуется от мета-формы соответствующей кислоты (т.е. от формы кислоты с меньшим содержанием воды).
Вывести формулу соли в этом случае можно рассуждая следующим образом: гидроксид алюминия Al(OH)3 можно рассматривать как кислоту H3AlO3 (это орто-форма кислоты, т.е. форма более богатая водой); удалив мысленно из формулы H3AlO3 молекулу H2O получим мета-форму кислоты (HAlO2), от которой и будут образованы соли:
Al(OH)3 – гидроксид алюминия
¯
H3AlO3 – орто-форма алюминиевой кислоты (соли не получены)
¯–H2O
HAlO2 – метаалюминиевая кислота (соли – метаалюминаты)
Al(OH)3 + NaOH ® NaAlO2 + 2H2O
Al2O3 + 2NaOH ® 2NaAlO2 + H2O.
Аналогичным образом протекают реакции сплавления с твёрдыми щелочами амфотерных оксидов и гидроксидов Cr2O3, Cr(OH)3, Fe2O3, Fe(OH)3. В этих реакциях образуются NaCrO2 (метахромит натрия – соль метахромистой кислоты HCrO2) и NaFeO2 (метаферрит натрия – соль метажелезистой кислоты HFeO2).
Рассмотрим также реакции сплавления со щёлочью амфотерного оксида и гидроксида четырёхвалентного металла на примере SnO2 и Sn(OH)4:
Sn(OH)4 – гидроксид олова (IV)
¯
H4SnO4 – орто-форма оловянной кислоты (соли не получены)
¯–H2O
H2SnO3 – метаоловянная кислота (соли – метастаннаты)
Sn(OH)4 + 2NaOH ® Na2SnO3 + 3H2O
SnO2 + 2NaOH ® Na2SnO3 + H2O.
Реакция ионного обмена протекает лишь в том случае, если продуктом реакции является газ, осадок или слабый электролит.
При записи уравнений обменных реакций в ионно-молекулярном виде на ионы можно расписывать только сильные электролиты, растворимые в воде.
Ниже приведена схема рассуждений, при записи ионно-молекулярных уравнений обменных реакций.