Лабораторне заняття

 

Тема: ОСНОВНІ КЛАСИ НЕОРГАНІЧНИХ СПОЛУК

 

Мета заняття:   розглянути основи класифікації неорганічних сполук. Ознайомитись із методами їх одержання, хімічними властивостями.

ПИТАННЯ ДЛЯ ПІДГОТОВКИ

 

1.  Що таке оксиди? На які групи поділяються оксиди?

2.  Навести приклади несолетвірних та амфотерних оксидів.

3.  Хімічні властивості основ. Навести приклади реакцій.

4.  Хімічні властивості кислот. Навести приклади реакцій.

           5.  Класифікація солей.

 

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

 

Складні неорганічні речовини поділяються на класи за складом (двохелементні, або бінарні, і багатоелементні) або за функціональними ознаками. Поділ складних речовин за функціональними ознаками більш раціональний і набагато полегшує вивчення їх хімічних властивостей.

Найважливішими класами неорганічних сполук за функціональними ознаками є:

1) оксиди;

2) гідрати оксидів:

-     основи;

-     кислоти;

-     амфотерні гідроксиди;

3) солі.

 

1. Оксиди

Оксидами називають складні речовини, молекули яких складаються з двох елементів, одним з яких є Оксиген у ступені окиснення -2. Наприклад,

карбон (IV) оксид: , структурна формула ; 

бор оксид: ,  структурна формула .

Оксиди бувають солетвірні і несолетвірні. Несолетворні (байдужі) оксиди не утворюють солей:

;   ;  ;   .

Оксиди, які під час хімічних реакцій утворюють солі, називаються солетвірними. Вони поділяються на основні, кислотні, амфотерні.

Основними називаються оксиди, гідратами яких є основи. Їх утворюють метали у низьких ступенях окиснення (+1, +2, +3):

; ; ; ; ; ; ; .

Кислотними називаються оксиди, гідратами яких є кислоти. Такі оксиди називають ангідридами кислот. Їх утворюють неметали у всіх додатніх ступенях окиснення  і метали у високих ступенях окиснення (+5, +6, +7):   

; ; ; ; ; ; .

Амфотерними називаються оксиди, які залежно від умов можуть виявляти  і основні і кислотні властивості (взаємодіяти як з кислотами, так і з основами):

; ; ; ; ; ;; ; ;.

Хімічні властивості

Основні оксиди:

- не реагують з «родичами» - основними оксидами та основами;

- реагують з кислотними оксидами і з кислотами:

;

;

- оксиди лужних і лужноземельних металів реагують з водою, утворюючи основи:

.

Кислотні оксиди:

- не реагують з «родичами» - кислотними оксидами та кислотами (виняток – взаємодія: SiO₂ + 4HF = SiF₄ + H₂O);

- реагують з основними оксидами і з основами:

;

;

- як правило, реагують з водою, утворюючи кислоти, їх називають «ангідридами кислот» (ступінь окиснення елемента у ангідриді і у відповідній кислоті - однакові):

.

Амфотерні оксиди:

- не реагують з водою та з «родичами» - амфотерними оксидами, амфотерними гідроксидами;

- з кислотними оксидами і кислотами взаємодіють, як основні оксиди:

;

;

- з основними оксидами і основами взаємодіють, як кислотні оксиди:

;

 (у розчині);

 (при сплавленні).

 

2.  Основи

Основами називаються сполуки, які складаються з катіонів металу (або ) і з гідроксогруп :  –натрій гідроксид,  – кальцій гідроксид,  – амонію гідроксид. Число груп , здатних заміщуватись на кислотні залишки з утворенням солей, називається кислотністю основи. Із збільшенням ступеня окиснення металу основні властивості його гідроксиду послаблюються.

За теорією електролітичної дисоціації основи – це електроліти, які у водному розчині дисоціюють з утворенням лише гідроксид-іонів (оскільки хімічний зв’язок між атомами оксигену та гідрогену міцніший ніж між атомами оксигену і металу, а в хімічних реакціях розриваються слабші зв’язки Na–O-H→Na⁺+O-H^-).

Основи, утворені лужними і лужноземельними металами, добре розчиняються і дисоціюють у воді. Такі сильні основи називаються лугами. Слабкі основи дисоціюють у водних розчинах незначною мірою.

Дисоціація сильної основи:

.

Дисоціація слабкої основи – оборотній процес:

.

Основи з кількома групами ОН^– дисоціюють ступінчато:

;

.

Хімічні властивості

Не реагують з «родичами» - основними оксидами та основами;

Взаємодія з  кислотними оксидами і з кислотами:

;

.

Взаємодія з амфотерними оксидами і гідроксидами:

;

.

Взаємодія з солями (тільки у випадку утворення малорозчинних сполук або газів):

- середніми (сильніша основа  витісняє з солі слабку ):

;

- кислими (реакція нейтралізації):

;

- основними (витіснення слабкої основи):

             .

 

3.  Кислоти

Кислотами називаються сполуки, до складу яких входить  Гідроген, здатний заміщуватись на метал. Число атомів Гідрогену, здатних до заміщення, визначає основність кислоти. Наприклад:

–   одноосновні кислоти: хлороводнева або хлоридна (соляна) кислота ; нітратна (азотна) кислота ;

–   двоосновні кислоти: сульфідна (сірководнева) кислота ; сульфатна (сірчана) кислота ;

–   триосновна кислота: ортофосфатна (ортофосфорна) кислота .

За складом кислоти поділяються на оксигеновмісні (; ) і безоксигенові (;).

Як електроліти кислоти у водних розчинах дисоціюють з утворенням катіона Гідрогену ( у оксигеновмісних кислот хімічний зв’язок між атомами оксигену та гідрогену слабший ніж між атомами оксигену та іншого елемента, що входить до складу кислоти). За здатністю до дисоціації кислоти поділяються на:

–   сильні (дисоціює > 50 % молекул) – ; ; ;

–   середні (дисоціює » 30 % молекул) – ; ;

–   слабкі (дисоціює < 3 % молекул) – ; .

Дисоціація сильної кислоти:

.

Дисоціація слабкої кислоти – оборотний процес, що йде до стану рівноваги:

.

Для багатоосновних кислот дисоціація – ступінчатий процес.

І ступінь:       ;

 ІІ ступінь:        .

Хімічні властивості

- не реагують з «родичами» - кислотними оксидами та кислотами;

- взаємодія з основами і основними оксидами:

;

;

.

Таблиця 3

Склад і назви деяких кислот

Назва	Формула	Кислотний залишок, його валентність* та назва
хлоридна (хлороводнева)	HCl	– Cl (хлорид)
сульфідна	H2S	= S (сульфід)
метафосфатна	HPO3	– PO3 (метафосфат)
нітратна	HNO3	– NO3 (нітрат)
нітритна	HNO2	– NO2 (нітрит)
карбонатна	H2CO3	= CO3 (карбонат)
сульфітна	H2SO3	= SO3 (сульфіт)
сульфатна	H2SO4	= SO4 (сульфат)
ортофосфатна	H3PO4	º PO4 (ортофосфат)

^* Кількість рисок відповідає валентності кислотного залишку

 

Взаємодія з амфотерними оксидами і гідроксидами:

;

.

Взаємодія з солями (тільки у випадку утворення малорозчинних сполук або газів):

- середніми (сильна кислота витісняє з солі слабку):

;

- основними (нейтралізація):

;

- кислими (витіснення сильною кислотою слабкої):

.

Взаємодія з металами (активні метали, стандартний електродний потенціал яких менший 0 В) витісняють з деяких кислот водень):

;

.

 

4. Амфотерні гідроксиди

Амфотерні гідроксиди – це гідроксиди, які залежно від умов реакції можуть проявляти і основні, і кислотні властивості, наприклад:

алюміній гідроксид:  , або , або ;

цинк гідроксид:  або .

Вони можуть дисоціювати і як основи, і як кислоти (в залежності від умов реакції у них може розриватися хімічний зв’язок між оксигеном і гідрогеном, або між оксигеном і металом):

.

 

Хімічні властивості

Взаємодія з кислотами і кислотними оксидами (як основа):

;

.

Взаємодія з основами і основними оксидами (як кислота):

     (у розчині);

  (при сплавленні);

.

 

5. Солі

Солі – це продукти заміщення атомів Гідрогену в кислоті на метал чи гідроксильних груп в основі на кислотний залишок. Солі поділяються на:

- середні (нормальні) –  (натрій сульфат);  (ферум (ІІІ) хлорид);

- кислі (гідросолі) –  (натрій гідрогенсульфат);  (калій гідрогенкарбонат);

- основні (гідроксосолі) –  (гідроксомагній хлорид);  (дигідроксоферум (ІІІ) нітрат);

- подвійні –  (калій натрій сульфат);

- змішані солі –  (кальцій хлорид гіпохлорит);

- комплексні солі –  (тетраамінкупрум (ІІ) сульфат).

Середні солі – це продукт повного заміщення атомів Гідрогену в кислоті на метал або гідроксильних груп в основі на кислотний залишок:

;

                 натрій сульфат

.

                      магній хлорид

Кислі солі – це продукт неповного заміщення атомів Гідрогену в багатоосновній кислоті на метал.

;

                     надлишок       недостача    натрій

                 гідроген-

                 сульфат

.

            надлишок    недостача      натрій

                                                           дигідроген-

                                                             фосфат

 

Кислі солі не можуть утворювати одноосновні кислоти HCl, HNO₃ та ін.

Основні солі – це продукт неповного заміщення гідроксильних груп у багатокислотній основі на кислотний залишок:

.

                                              надлишок    недостача   гідроксоферум

                                 (ІІІ) хлорид

Основні солі не можуть утворювати однокислотні основи NaOH, LiOH та ін.

Подвійні солі – це продукти заміщення Гідрогену в молекулах кислот на атоми двох металів.

Змішані солі  – це середні солі, в молекулах яких атом металу сполучений з двома різними кислотними залишками.

До складу комплексних солей входить комплексний катіон, наприклад , або комплексний аніон, наприклад .

Хімічні властивості

Взаємодія з лугами:

;

;

;

.

Взаємодія з кислотами:

;

;

;

;

.

Взаємодія солей між собою відбувається, якщо в результаті реакції утворюється малорозчинна сіль (дивитися по таблиці розчинності), або виділяється газ:

;

.

Na₂CO₃ + 2HCl = 2NaCl + H₂CO₃→H₂O + CO₂↑

Більш активний метал витісняє менш активний з його солі:

,

але                               не взаємодіють.

 

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА

 

Дослід І. Магній оксид та гідроксид

Невеличку кількість магній оксиду помістити в пробірку і долити  дистильованої води. Випробувати одержану речовину кількома краплями фенолфталеїну. Якого забарвлення набув розчин? Звернути увагу на малу розчинність одержаного магній гідроксиду.

Злити рідину з частиною осаду в раковину. Осад, що залишився, розчинити у хлоридній кислоті (10%).

Записати рівняння реакцій магній гідроксиду з хлоридною кислотою при недостачі та при надлишку .

Дослід ІІ. Одержання та властивості основ

У три пробірки налити по  розчинів: у першу – амоній хлориду, в другу – барій хлориду, в третю – купрум (ІІ) сульфату. До кожного налити по  розчину лугу. Які зміни спостерігаються?

Записати рівняння реакції та спостереження.

Розділити вміст кожної з пробірок надвоє, одержавши дві однакові групи:

а) Пробірки першої групи по черзі обережно нагріти на полум’ї пальника, безперервно струшуючи. Пояснити спостереження, подавши рівняння реакцій. Зробити висновок про термічну стійкість одержаних гідроксидів.

б) До осадів другої групи пробірок долити хлоридної кислоти (10%). Записати рівняння реакцій, відзначивши спостереженні зміни. Зробити висновок про хімічний характер досліджуваних гідроксидів.

Дослід ІІІ. Одержання та властивості амфотерного гідроксиду

У пробірку налити  розчину алюміній сульфату і обережно доливати розчин амоній гідроксиду до утворення осаду. Звернути увагу на вигляд осаду, записати рівняння реакції та спостереження.

Розділити одержаний осад у 2 пробірки. В одну долити 10% розчин хлоридної кислоти, в іншу – 30% розчин лугу. Спостерігати розчинення осаду в обох пробірках. Записати рівняння реакцій та спостереження. Пояснити причину розчинення осаду в кислоті і в лугові, зробивши висновок про хімічний характер алюміній гідроксиду.

 

ЗАДАЧІ ТА ВПРАВИ

 

1. Записати формули оксидів за поданою валентністю елемента: ; ; ; ; ; .

Вказати хімічний характер оксидів та записати формули відповідних їм гідратів.

2. Написати формули ангідридів кислот: ;  ; ; .

3. З якими з перелічених речовин буде реагувати хлоридна кислота: ; ; ; ; ; ; ; ; ; ? Написати рівняння реакцій

4. Які з перелічених речовин будуть реагувати з натрій гідроксидом: ; ; ; ; ; ; ; ; ; . Назвати вихідні речовини і продукти реакції.

5. Дописати рівняння реакцій та назвати одержані продукти:

1.                     Скласти рівняння реакцій, за допомогою яких можна здійснити такий цикл перетворень, згрупувати вказані речовини у відповідні класи сполук:

1.  )

2. P → P₂O₅ → H₃PO₄ → Ca(H₂PO₄)₂ → CaHPO₄ →Ca₃(PO₄)₂ → CaHPO₄

3. FeCl₃ ® Fe(OH)₃ ® Fe₂O₃ ® Fe(NO₃)₃ ® Fe(OH)₂NO₃ ® Fe(OH)₃ ® Fe(HSO₄)₃ ® Fe₂(SO₄)₃

4. Cu ® CuSO₄ ® Cu ® Cu(NO₃)₂ ® Cu(OH)₂ ® CuOHCl ® CuCl₂ ® Cu₃(PO₄)₂ ® Cu(H₂PO₄)₂

5. SO₂ ® SO₃ ® H₂SO₄ ® SO₂ ® K₂SO₃ ® KHSO₃ ® SO₂ ® CaSO₃ ® Ca(HSO₃)₂ ® CaCl₂ ® Ca(OH)₂ ® CaCO₃ ® CaO

6. Al(NO₃)₃ ® Al(OH)₃ ® Al₂O₃ ® Al₂(SO₄)₃ ® Al(HSO₄)₃ ® Al₂(SO₄)₃ ® Al(OH)SO₄ ® Al(OH)₃ ® Na[Al(OH)₄] ® AlCl₃

7. NaOH ® Na₂CO₃  ® NaHCO₃ ® Na₂CO₃ ® CaCO₃ ® CO₂ ® CaCO₃ ® Ca(NO₃)₂ ® Ca(NO₂)₂

8. P₂O₅ ® HPO₃ ® H₃PO₄ ® Ca(H₂PO₄)₂ ® CaHPO₄ ® Ca₃(PO₄)₂

9. Be ® BeO ® BeSO₄ ® Be(HSO₄)₂ ® BeSO₄ ® Be(OH)₂ ® Be(OH)NO₃ ® Be(NO₃)₂ ® BeOН ® K₂BeO₂

10.   Sn ® SnCl₂ ® Sn(NO₃)₂ ® Sn(OH)NO₃ ® Sn(OH)₂ ® Na₂SnO₂ ® SnSO₄ ® SnS ® SO_2.

11.   Zn ® Zn(NO₃)₂ ® ZnSO₄  ® Zn(HSO₄)₂ ® ZnSO₄ ® (ZnOH)₂SO₄ ® Zn(OH)₂ ®  Na₂[Zn(OH)₄] ® ZnCl₂

12.   КOH ® КHCO₃ ® К₂CO₃ ® ВаCO₃ ® CO₂ ® CaCO₃ ® СаСІ₂→Ca(NO₃)₂ ® Ca(NO₂)₂