5.27. Химические свойства кислот, оснований, солей в свете теории электролитической диссоциации

Теория электролитической диссоциации дает единый подход к пониманию процессов, протекающих в растворах с участием электролитов — кислот, оснований, солей. Этот подход основан на том факте, что после растворения электролитов в воде получается раствор, содержащий катионы и анионы. Именно они принимают участие в химических реакциях.

Химические реакции в растворах электролитов — это реакции с участием ионов, образующихся в результате диссоциации электролитов.

Реакции между ионами в растворах без изменения степеней окисления атомов называют реакциями ионного обмена.

Условия необратимого протекания реакций ионного обмена в растворах электролитов

Образование
белого осадка
CaF2 при
взаимодействии
ионов Ca2+ и F–

При смешивании растворов разных солей кальция с растворами фторидов разных металлов получается один и тот же осадок — фторид кальция CaF2↓. Это происходит потому, что во всех случаях имеющиеся в растворах ионы кальция Ca2+ реагируют с ионами фтора F– c образованием труднорастворимого вещества:

Ca2+ + 2F– = CaF2↓.

В связи с этим подумайте, почему минеральные воды, богатые растворимыми солями кальция, почти не содержат анионов фтора.

При действии соляной, серной, азотной кислот на карбонаты кальция, натрия и других металлов выделяется углекислый газ:

Na2CO3 + 2HCl = 2NaCl + CO2↑ + H2O.

Во всех этих случаях при взаимодействии карбонат-ионов и ионов водорода H+ образуется слабая кислота H2CO3:

,

которая разлагается на углекислый газ и воду. Реакция протекает с интенсивным выделением CO2, несмотря на очень низкую растворимость CaCO3. Никакого взаимодействия не происходит, если не выделяется газ, не выпадает осадок, не образуется малодиссоциирующее вещество. Например, если смешать растворы сульфата натрия Na2SO4 и нитрата калия KNO3, то в полученном растворе будут находиться катионы Na+, K+, анионы и

Приведенные примеры позволяют сделать вывод, что реакции ионного обмена протекают необратимо в случае образования газообразных веществ, осадков труднорастворимых веществ или малодиссоциирующих соединений — слабых электролитов.

В соответствии с принципом Ле Шателье выделение газа, образование осадка вызывает удаление продукта реакции из реакционной смеси — раствора, что и обеспечивает полное протекание реакции.

Реакции в растворах описывают уравнениями в трех формах: молекулярной, полной ионной и сокращенной ионной. Во всех уравнениях слабые электролиты, газы и малорастворимые вещества изображают молекулярными формулами, например H2O, H2, Fe(OH)2, независимо от их строения (молекулярного или немолекулярного).

Сущность протекающих процессов наиболее четко выражается при записи уравнений реакций электролитов в ионной форме. Для этого вначале составляем уравнение реакции в молекулярной форме:

H2SO4 + 2NaOH = Na2SO4 + 2H2O,

а затем — уравнение в полной ионной форме, указывая сильные электролиты в виде ионов, образующиеся газообразные и малодиссоциирующие соединения, в данном случае воду, в виде молекул:

,

а нерастворимые соединения немолекулярного строения в виде формульных единиц.

Для составления уравнения в сокращенной ионной форме исключаем из обеих частей уравнения ионы, не участвующие в реакции:

2H+ + 2OH– = 2H2O или H+ + OH– = H2O.

Уравнение реакции в сокращенной ионной форме полностью выражает химическую суть происходящего взаимодействия.

Очевидно, что, какую бы щелочь и сильную кислоту мы ни взяли, взаимодействие между ними с образованием растворимой соли выразится таким же уравнением: H+ + OH– = H2O. Во всех этих случаях будет протекать одна и та же химическая реакция — реакция нейтрализации с выделением около 57 кДж энергии на один моль образовавшейся воды.

Уравнения в сокращенной ионной форме не только относятся к одной конкретной реакции между определенными веществами, но и охватывают группу аналогичных реакций. В этом их основная ценность и обобщающее значение.

Рассмотрим химические свойства кислот, оснований и солей с позиции теории электролитической диссоциации.

*Реакции в растворах с участием ионов

Напомним, что, помимо реакций ионного обмена, ионы могут также принимать участие в окислительно-восстановительных реакциях:

2FeCl3 + Fe = 3FeCl2 или 2Fe3+ + Fe = 3Fe2+;

2NaI + Br2 = 2NaBr + I2 или 2I– + Br2 = 2Br– + I2;

2CH3COOAg + Cu = (CH3COO)2Cu + 2Ag↓ или 2Ag+ + Cu = 2Ag↓ + Cu2+.

Реакции ионного обмена между солями с образованием осадков протекают во всех случаях, когда растворимость реагентов выше, чем растворимость одного из продуктов. В случае реакции растворимых реагентов в осадок будут выпадать как нерастворимые, так и малорастворимые продукты.

Приведем несколько примеров составления уравнений реакций с участием ионов.

Рассмотрим реакцию с образованием труднорастворимого вещества.

Рассмотрим реакцию с образованием газообразного продукта.

Рассмотрим реакцию с образованием слабо диссоциирующего вещества.

Определим возможность протекания реакции.

Вопросы, задания, задачи

1. Пользуясь таблицей растворимости, назовите четыре аниона, образующих нерастворимые соли с катионом Ca2+.

2. C какими из перечисленных соединений и простых веществ реагирует разбавленная серная кислота: HCl, Na2SO4, NaHSO3, Ba(OH)2, NH3, LiOH, CO2, SO2? Составьте уравнения возможных химических реакций в молекулярной, полной и сокращенной ионной формах.

3. Составьте в молекулярной форме три уравнения реакций нейтрализации, соответствующих уравнению: Н+ + ОН– = Н2О.

4. Составьте в молекулярной и полной ионной формах уравнения химических реакций в соответствии с уравнениями:

• а) Cu2+ + S2– = CuS↓;
• б) Fe2O3 + 6H+ = 2Fe3+ + 3H2O;
• в) BaCO3 + 2H+ = Ba2+ + CO2↑ + H2O;
• г) .

5. Укажите реагенты и индикаторы, с помощью которых можно различить растворы Ca(OH)2 и H2SO4: лакмус, метилоранж, фенолфталеин, универсальная индикаторная бумага, CO2, BaCl2, CuCl2, Fe (опилки), NaHCO3, KF, FeCl3, H3PO4. Укажите качественные признаки реакций, напишите их уравнения в молекулярной, полной и сокращенной ионной формах.

6. Определите массу меди, которую можно выделить из 1 дм3 раствора CuCl2 с концентрацией 0,07 моль/дм3 железными опилками, взятыми в избытке, если таким образом извлекают 95 % металла.

7. Укажите массу раствора с массовой долей карбоната натрия 8,48 %, необходимого для полного осаждения катионов Ca2+ из раствора массой 222 г, в котором массовая доля хлорида кальция составляет 0,10.

8. Вычислите массу питьевой соды NaHCO3, которая необходима для нейтрализации 96%-ной серной кислоты объемом 1,00 дм3 и ρ = 1,835 г/см3.

9. К раствору йодида бария BaI2 массой 391 г с массовой долей соли, равной 40 %, добавили 96%-ный раствор H2SO4 с ρ = 1,835 г/см3 в количестве, достаточном для полного осаждения бария в виде BaSO4. Рассчитайте массу (г) и объем (см3) добавленного раствора серной кислоты.

10. Используя данные задачи 9, рассчитайте массу осадка BaSO4, а также массу образовавшегося раствора йодоводорода и массовую долю HI в нем.

*Вопросы, задания, задачи

1. Даны растворы веществ: NaOH, HCl, NaCl, KOH, HNO3, Ca(OH)2, NH3, CO2, SO2, СH3СOOH, HNO2, HF. Распределите перечисленные растворы в три ряда:

• а) растворы имеют < рН 7;
• б) рН > 7;
• в) рН ≈ 7.

2. C какими веществами реагирует разбавленная серная кислота: HCl, Na2SO4, NaHSO3, Ba(OH)2, NH3, LiOH, CO2, SO2? Составьте уравнения возможных химических реакций в молекулярной, полной и сокращенной ионной формах.

3. Завершите уравнения химических реакций в молекулярной форме и запишите их в сокращенной ионной форме:

• а) NaF + CaCl2 = …;
• б) NH3 ∙ H2O + H2SO4 = …;
• в) Na2S + H2SO4 = …;
• г) NaOH + HCl = ….

Укажите условия протекания этих реакций.

4. Укажите реагенты и индикаторы, с помощью которых можно различить растворы Ca(OH)2 и H2SO4: лакмус, метилоранж, фенолфталеин, универсальная индикаторная бумага, CO2, BaCl2, CuCl2, Fe (опилки), NaHCO3, KF, FeCl3, H3PO4. Укажите качественные признаки реакций, напишите их уравнения в молекулярной, полной и сокращенной ионной формах.

5. Пользуясь таблицей растворимости, укажите анионы, которые образуют нерастворимые соли с катионом Mg2+. Запишите уравнения трех реакций образования этих солей в сокращенной ионной форме.

6. Какие из пар ионов будут реагировать между собой с образованием осадков, а какие с образованием малодиссоциирующих веществ молекулярного строения:

• а) Ba2++ и ;
• б) K+ и OH–;
• в) H+ и OH–;
• г) Ag+ и Cl–;
• д) H+ и F–;
• е) H+ и CH3COO–;
• ж) H+ и ;
• з) и OH–;
• и) Na+ и ?

7. Хватит ли раствора объемом 750 см3 с молярной концентрацией KОН, равной 0,5 моль/дм3, для полной нейтрализации раствора массой 200 г, в котором массовая доля HCl составляет 7,3 %? Определите область значений рН (больше или меньше 7) раствора после окончания реакции.

8. В растворе азотистой кислоты число непродиссоциировавших молекул в 2,5 раза больше числа продиссоциировавших. Укажите степень диссоциации α (в процентах) и рН раствора, если исходная концентрация кислоты в нем была равна 0,0035 моль/дм3.

9. Определите количества (моль) исходных веществ Al2(SO4)3 · 18H2O и NH3 · H2O, при взаимодействии которых образуется гидроксид алюминия Al(OH)3 количеством 1,0 моль.

10. Вычислите массу Na2CO3 (компонент стирального порошка), необходимую для осаждения всех катионов кальция и магния из воды (для стирки белья) объемом 20 дм3 с молярной концентрацией суммы катионов кальция и магния, равной 0,0035 моль/дм3 (норма предельной жесткости для водопроводной воды). Составьте уравнения соответствующих реакций в сокращенной ионной форме.

*Самоконтроль

1. Реакции обмена в растворах электролитов протекают необратимо, если:

• а) продукты реакции легко диссоциируют на ионы;
• б) выпадает осадок;
• в) выделяется газ;
• г) образуется слабый электролит

2. Уравнение реакции в сокращенной ионной форме H+ + ОН– = H2O описывает взаимодействие:

• а) Н2SO4 + Ba(OH)2 = ВаSO4↓ + 2H2O;
• б) Н2SO4 + 2NaOH = Na2SO4 + 2H2O;
• в) Н2S + 2NaOH = Na2S + 2H2O;
• г) Н2SO4 + Cu(OH)2 = CuSO4 + 2H2O.

3. Общие свойства для растворов обоих приведенных в паре электролитов в свете теории электролитической диссоциации обусловлены:

• а) катионом водорода для НCl и H2SO4;
• б) ионом металла для NaOH и Ca(OH)2;
• в) анионом кислотного остатка для MgSO4 и MgCl2;
• г) катионом бария для ВаCl2 и Ва(NO3)2.

4. В растворе могут сосуществовать в значительных количествах ионы:

• а) Na+ и ;
• б) Ag+ и Cl–;
• в) Ag+ и Вr–;
• г) Zn2+ и ОН–.

5. В ионных уравнениях реакций в виде ионов не представляют:

• а) СН3СООН;
• б) Н3РО4;
• в) СuO;
• г) МgSO4.