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)

 

¯^–H2^O

 

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)

 

¯^–H₂^O

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.