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 + H2

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 + 2H2

ZnO + 2NaOH ® Na2ZnO2 + H2

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 + 2H2

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 + 2H2

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 + 3H2

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.

Наши рекомендации