Изменение кислотных свойств водородных соединений. Что такое кислотные свойства
Кислотными свойствами называют те, которые наиболее сильно проявляются в данной среде. Их существует целый ряд. Необходимо уметь определять кислотные свойства спиртов и других соединений не только для выявления содержания в них соответствующей среды. Это также важно для распознавания изучаемого вещества.
Существует множество тестов на наличие кислотных свойств. Наиболее элементарный - погружение в вещество индикатора - лакмусовой бумаги, которая реагирует на содержание водорода, розовея или краснея. Причем более насыщенный цвет демонстрирует более сильную кислоту. И наоборот.
Кислотные свойства усиливаются вместе с увеличением радиусов отрицательных ионов и, следовательно, атома. Это обеспечивает более легкое отщепление частиц водорода. Это качество является характерным признаком сильных кислот.
Существуют наиболее характерные кислотные свойства. К ним относятся:
Диссоциация (отщепление катиона водорода);
Разложение (образование и воды под воздействием температуры и кислорода);
Взаимодействие с гидроксидами (в результате которого образуются вода и соль);
Взаимодействие с оксидами (в результате также образуются соль и вода);
Взаимодействие с металлами, предшествующими водороду в ряду активности (образуется соль и вода, иногда с выделением газа);
Взаимодействие с солями (только в том случае, если кислота сильнее той, которой образована соль).
Часто химикам приходится самостоятельно получать кислоты. Для их выведения существует два способа. Один из них - смешение кислотного оксида с водой. Этот способ используется наиболее часто. А второй - взаимодействие сильной кислоты с солью более слабой. Его используют несколько реже.
Известно, что кислотные свойства проявляются и у многих Они могут быть выражены сильнее или слабее в зависимости от К свойства спиртов проявляются в способности отщеплять катион водорода при взаимодействии с щелочами и металлами.
Алкоголяты - соли спиртов - способны гидролизоваться под действием воды и выделять спирт с гидроксидом металла. Это доказывает, что кислотные свойства этих веществ слабее, чем у воды. Следовательно, среда выражена в них сильнее.
Кислотные свойства фенола гораздо сильнее в связи с повышенной полярностью ОН-соединения. Поэтому данное вещество может реагировать также с гидроксидами щелочноземельных и щелочных металлов. В результате образуются соли - феноляты. Чтобы выявить фенол, наиболее эффективно использовать с (III), в которой вещество приобретает сине-фиолетовую окраску.
Итак, кислотные свойства в различных соединениях проявляются одинаково, но с разной интенсивностью, что зависит от строения ядер и полярности водородных связей. Они помогают определять среду вещества и его состав. Наряду с данными свойствами, существуют также и основные, которые усиливаются с ослаблением первых.
Все эти характеристики проявляются в большинстве сложных веществ и составляют важную часть окружающего нас мира. Ведь именно за их счет проходят многие процессы не только в природе, но и в живых организмов. Поэтому кислотные свойства крайне важны, без них была бы невозможна жизнь на земле.
Общие свойства основных классов неорганических соединений. Условия протекания "реакций обмена".
1. Кислотно-основные свойства водородных соединений.
а) Прокомментируйте способность воды к самоионизации (уравнение, К W). На основе строения молекул (их поляризуемости) объясните закономерности изменения растворимости в воде и кислотно-основных свойств соответствующих растворов метана (CH 4), аммиака (NH 3), фтороводорода (HF) и хлороводорода (HCl). Составьте необходимые уравнения.
б) Используя понятие о поляризующем действии катионов на связь Н–О, а также, учитывая число гидроксогрупп, объясните закономерность изменения кислотно-основных свойств гидроксидов LiOH–Be(OH) 2 –Н 3 ВО 3 –Н 2 СО 3 –HNO 3 –H 3 PO 4 –H 2 SO 4 –(H 2 SeO 4)–HClO 4 . Составьте уравнения диссоциации предложенных веществ.
2. Обязательные и необязательные (в том числе, особенные) реакции кислот и оснований .
а) С какими из перечисленных веществ (растворов) смогут провзаимодействовать 20%-ные растворы азотной, серной и уксусной кислот: растворы KOH, NH 3 , H 2 S ; Zn(OH) 2 , H 3 PO 2 ; BaCl 2 и кристаллические Cu , Ca 3 (PO 4) 2 .
б) С какими из перечисленных веществ (растворов) смогут провзаимодействовать 20%-ные растворы гидроксида калия и аммиака: растворы H 2 SO 4 , CH 3 COOH; Zn(OH) 2 , Al(OH) 3 ; MgCl 2 и кристаллические Ag 2 O , AgCl .
В обоих вариантах опыта жирным шрифтом выделены формулы веществ, взаимодействие с которыми потребует написания неочевидных уравнений.
Задание предполагает только теоретическое обсуждение, но...Уравнения реакций необходимо продумать, написать заранее, в том числе в ионной форме.
3. Условия протекания обменных реакций с солями.
Какие обменные реакции могут быть выполнены с использованием предложенных реактивов: разбавленные растворы MnSO 4 , Ba(NO 3) 2 , насыщенный раствор SrSO 4 , кристаллические CuS и FeS , а также концентрированные растворы HCl, СО 2 и NH 3 . Продумайте возможность выполнения реакций с обязательным участием соли. Обосновать свои предложения расчетом констант соответствующих обменных равновесий. Продумайте возможные признаки протекания реакций.
При этом необходимо иметь в виду, что, если в качестве реагента используются труднорастворимые в воде вещества (в данном случае CuS и FeS), то реакции с их участием обязательно должны сопровождаться растворением, т.е. продукты таких реакций не должны сами давать осадков. Например, неграмотно продумывать реакцию FeS ↓ и Н 2 СО 3 в надежде получить осадок FeCO 3 .
Реакции с насыщенным раствором SrSO 4 предполагают использование именно раствора над осадком , а не самого осадка.
4. Зависимость рН растворов от состава солей.
Определите гидролизуемость ионов предложенных солей (NH 4 NO 3 , KCl, CH 3 COONa, Na 2 CO 3 , AlCl 3 , CH 3 COONH 4),
· составьте уравнения гидролиза иона (ионов, если в гидролизе участвуют и катион, и анион соли); рассчитайте константу гидролиза (К г (Al 3+ ) принять равной ~10 -5).
· составьте уравнение в молекулярной форме
(молекулярное уравнение составлять по преобладающей ионной реакции ).
· Расположите соли в порядке усиления гидролизуемости.
Проверьте гидролизуемость экспериментально. Для этого следует в чистую пробирку отлить ~1 мл соответствующего раствора, смочить в этом растворе стеклянную палочку и нанести раствор на индикаторную бумагу. По цветной шкале оценить ориентировочное значение рН раствора. Почему в двух случаях рН соответствует нейтральной среде?
5. Среда в растворах средних и кислых солей.
Составьте уравнения преобладающих ионных реакций, влияющих на среду в растворах орто-, гидро- и дигидрофосфата калия (К 3 РО 4 , К 2 НРО 4 , КН 2 РО 4). При этом необходимо иметь в виду, что в растворах кислых солей кроме реакций гидролиза проходит и диссоциация анионов Н 2 РО 4 ‒ , НРО 4 2‒ . Среда будет определяться преобладающей реакцией. Сравните константы конкурирующих реакций гидролиза и диссоциации анионов и сделайте вывод о рН (больше или меньше 7). Сравните результаты предварительного анализа с реальным значением рН (определите с помощью универсального индикатора).
Справочные данные для подготовки к опытам 3, 4, 5
3. Периодический закон и периодическая система химических элементов
3.4. Периодическое изменение свойств веществ
Периодически изменяются следующие свойства простых и сложных веществ:
- строение простых веществ (вначале немолекулярное, например от Li к C, а затем молекулярное: N 2 - Ne);
- температуры плавления и кипения простых веществ: при движении слева направо по периоду t пл и t кип вначале, в целом, возрастают (алмаз - самое тугоплавкое вещество), а затем уменьшаются, что связано с изменением строения простых веществ (см. выше);
- металлические и неметаллические свойства простых веществ. По периоду с ростом Z способность атомов отдавать электрон уменьшается (Е и растет), соответственно металлические свойства простых веществ ослабевают (неметаллические - усиливаются, поскольку увеличивается Е ср атомов). Сверху вниз по группам А, напротив, металлические свойства простых веществ усиливаются, а неметаллические - ослабевают;
- состав и кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов (табл. 3.1–3.2).
Таблица 3.1
Состав высших оксидов и простейших водородных соединений элементов А-групп
Как видно из табл. 3.1, состав высших оксидов изменяется плавно в соответствии с постепенным возрастанием ковалентности (степени окисления) атома.
С ростом заряда ядра атома в периоде основные свойства оксидов и гидроксидов ослабевают, а кислотные - усиливаются. Переход от основных оксидов и гидроксидов к кислотным в каждом периоде происходит постепенно, через амфотерные оксиды и гидроксиды. В качестве примера в табл. 3.2 показано изменение свойств оксидов и гидроксидов элементов 3-го периода.
Таблица 3.2
Оксиды и гидроксиды, образованные элементами 3-го периода, и их классификация
В группах А с ростом заряда ядра атома происходит усиление основных свойств оксидов и гидроксидов. Например, для IIA-группы имеем:
1. BeO, Be(OH) 2 - амфотерные (слабые основные и кислотные свойства).
2. MgO, Mg(OH) 2 - слабые, основные свойства.
3. CaO, Ca(OH) 2 - выраженные основные свойства (щелочи).
4. SrO, Sr(OH) 2 - выраженные основные свойства (щелочи).
5. BaO, Ba(OH) 2 - выраженные основные свойства (щелочи).
6. RaO, Ra(OH) 2 - выраженные основные свойства (щелочи).
Такие же тенденции прослеживаются и для элементов других групп (состав и кислотно-основные свойства бинарных водородных соединений см. в табл. 3.1). В целом с ростом атомного номера по периоду основные свойства водородных соединений ослабевают, а кислотные свойства их растворов усиливаются: гидрид натрия растворяется в воде с образованием щелочи:
NaH + H 2 O = NaOH + H 2 ,
а водные растворы H 2 S и HCl - кислоты, причем более сильной является хлороводородная кислота.
1. В группах А с ростом заряда ядра атома сила бескислородных кислот также возрастает.
2. В водородных соединениях число атомов водорода в молекуле (или формульной единице) сначала возрастает от 1 до 4 (группы IA–IVA), а затем уменьшается от 4 до 1 (группы IVA–VIIA).
3. Летучими (газообразными) при н.у. являются только водородные соединения элементов IVA–VIIA групп (кроме H 2 O и HF)
Описанные тенденции в изменении свойств атомов химических элементов и их соединений суммированы в табл. 3.3
Таблица 3.3
Изменение свойств атомов элементов и их соединений с ростом заряда ядра атома
| Свойства | Тенденция изменения | |
|---|---|---|
| в периодах | в группах А | |
| Радиус атома | Уменьшается | Растет |
| Энергия ионизации | Возрастает | Уменьшается |
| Сродство к электрону | Возрастает | Уменьшается |
| Восстановительные (металлические) свойства атомов | Ослабевают | Усиливаются |
| Окислительные (неметаллические) свойства атомов | Усиливаются | Ослабевают |
| Электроотрицательность | Возрастает | Уменьшается |
| Максимальная степень окисления | Возрастает | Постоянная |
| Кислотные свойства оксидов | Усиливаются | Ослабевают |
| Кислотные свойства гидроксидов | Усиливаются | Ослабевают |
| Кислотные свойства водородных соединений | Усиливаются | Усиливаются |
| Металлические свойства простых веществ | Ослабевают | Усиливаются |
| Неметаллические свойства простых веществ | Усиливаются | Ослабевают |
Пример 3.3. Укажите формулу оксида с наиболее выраженными кислотными свойствами:
Решение. Кислотные свойства оксидов усиливаются слева направо по периоду, а сверху вниз по группе А ослабевают. С учетом этого приходим к выводу, что кислотные свойства наиболее выражены у оксида Cl 2 O 7 .
Ответ : 4).
Пример 3.4. Анион элемента Э 2− имеет электронную конфигурацию атома аргона. Укажите формулу высшего оксида атома элемента:
Решение. Электронная конфигурация атома аргона 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 , следовательно электронная конфигурация атома Э (атом Э содержит на 2 электрона меньше, чем ион Э 2−) – 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 , что отвечает атому серы. Элемент сера находится в VIA-группе, формула высшего оксида элементов этой группы ЭО 3 .
Ответ : 1).
Пример 3.5. Укажите символ элемента, атом которого имеет три электронных слоя и образует летучее (н.у.) соединение состава ЭН 2 (H 2 Э):
Решение. Водородные соединения состава ЭН 2 (H 2 Э) образуют атомы элементов IIA- и VIA-групп, однако летучими при н.у. являются соединения элементов VIA-группы, к числу которых относится сера.
Ответ : 3).
Охарактеризованные тенденции в изменении кислотно-основных свойств оксидов и гидроксидов можно понять на основании анализа следующих упрощенных схем строения оксидов и гидроксидов (рис. 3.1).
Из упрощенной схемы реакции
следует, что эффективность взаимодействия оксида с водой с образованием основания возрастает (согласно закону Кулона) с увеличением заряда на ионе Э n + . Величина же этого заряда увеличивается по мере усиления металлических свойств элементов, т.е. справа налево по периоду и сверху вниз по группе. Именно в таком порядке увеличиваются и основные свойства элементов.
Рис. 3.1. Схема строения оксидов (а ) и гидроксидов (б )
Рассмотрим причины, лежащие в основе описанных изменений кислотно-основных свойств гидроксидов.
При возрастании степени окисления элемента +n и уменьшении радиуса иона Э n + (это как раз и наблюдается с ростом заряда ядра атома элемента слева направо по периоду) связь Э–О упрочняется, а связь О–Н ослабевает; более вероятным становится процесс диссоциации гидроксида по кислотному типу.
Сверху вниз по группе радиус Э n + возрастает, а значение n + не изменяется, в результате прочность связи Э–О уменьшается, облегчается ее разрыв и более вероятным становится процесс диссоциации гидроксида по основному типу.
