§ 27. Хімічныя ўласцівасці кіслот, асноў, солей у святле тэорыі электралітычнай дысацыяцыі

Тэорыя электралітычнай дысацыяцыі дае адзіны падыход да разумення працэсаў, якія працякаюць у растворах з удзелам электралітаў — кіслот, асноў, солей. Гэты падыход заснаваны на тым факце, што пасля растварэння электралітаў у вадзе атрымліваецца раствор, які ўтрымлівае катыёны і аніёны. Менавіта яны прымаюць удзел у хімічных рэакцыях.

Хімічныя рэакцыі ў растворах электралітаў — гэта рэакцыі з удзелам іонаў, якія ўтвараюцца ў выніку дысацыяцыі электралітаў.

Рэакцыі паміж іонамі ў растворах без змянення ступеней акіслення атамаў называюць рэакцыямі іоннага абмену.

*Рэакцыі ў растворах з удзелам іонаў

Нагадаем, што, акрамя рэакцый іоннага абмену, іоны могуць таксама ўдзельнічаць у акісляльна-аднаўленчых рэакцыях:

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

2NaI + Br₂ = 2NaBr + I₂↓ або 2I^– + Br₂ = 2Br^– + I₂;

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

Рэакцыі іоннага абмену паміж солямі з асадкаўтварэннем працякаюць ва ўсіх выпадках, калі растваральнасць рэагентаў вышэйшая, чым растваральнасць аднаго з прадуктаў. У выпадку рэакцыі растваральных рэагентаў у асадак будуць выпадаць як нерастваральныя, так і маларастваральныя прадукты.

Прывядзём некалькі прыкладаў складання ўраўненняў рэакцый з удзелам іонаў.

Разгледзім рэакцыю з утварэннем цяжкарастваральнага рэчыва.

Разгледзім рэакцыю з утварэннем газападобнага прадукту.

Разгледзім рэакцыю з утварэннем слаба дысацыіраванага рэчыва.

Вызначым магчымасць працякання рэакцыі.

Умовы неабарачальнага працякання рэакцый іоннага абмену ў растворах электралітаў

Пры змешванні раствораў розных солей кальцыю з растворамі фтарыдаў розных металаў атрымліваецца адзін і той ж асадак — фтарыд кальцыю CaF₂↓. Гэта адбываецца таму, што ва ўсіх выпадках іоны кальцыю Ca²⁺, што знаходзяцца ў растворах, рэагуюць з іонамі фтору F^– з утварэннем цяжкарастваральнага рэчыва:

Ca²⁺ + 2F^– = CaF₂↓.

У сувязі з гэтым падумайце, чаму мінеральныя воды, багатыя на растваральныя солі кальцыю, амаль не ўтрымліваюць аніёнаў фтору.

Пры дзеянні салянай, сернай, азотнай кіслот на карбанаты кальцыю, натрыю і іншых металаў вылучаецца вуглякіслы газ:

Na₂CO₃ + 2HCl = 2NaCl₂ + CO₂↑ + H₂O.

Пры ўзаемадзеянні карбанат-іонаў і іонаў вадароду H⁺ утвараецца слабая кіслата H₂CO₃:

,

якая раскладаецца на вуглякіслы газ і ваду. Рэакцыя працякае з інтэнсіўным вылучэннем CO₂, нягледзячы на вельмі нізкую растваральнасць CaCO₃. Ніякага ўзаемадзеяння не адбываецца, калі не вылучаецца газ, не выпадае асадак, не ўтвараецца маладысацыіраванае рэчыва. Напрыклад, калі змяшаць растворы сульфату натрыю Na₂SO₄ і нітрату калію KNO₃, то ў атрыманым растворы будуць знаходзіцца катыёны Na⁺, K⁺, аніёны i

Прыведзеныя прыклады дазваляюць зрабіць вывад, што рэакцыі іоннага абмену працякаюць неабарачальна ў выпадку ўтварэння газападобных рэчываў, асадкаў цяжкарастваральных рэчываў або маладысацыіраваных злучэнняў — слабых электралітаў.

У адпаведнасці з прынцыпам Ле Шатэлье вылучэнне газу, утварэнне асадку выклікае выдаленне прадукту рэакцыі з рэакцыйнай сумесі раствору, што і забяспечвае поўнае працяканне рэакцыі.

Рэакцыі ў растворах апісваюць ураўненнямі ў трох формах: малекулярнай, поўнай іоннай і скарочанай іоннай. Ва ўсіх ураўненнях слабыя электраліты, газы і маларастваральныя рэчывы адлюстроўваюць малекулярнымі формуламі, напрыклад H₂O, H₂, Fe(OH)₂, незалежна ад іх будовы (малекулярнай або немалекулярнай).

Сутнасць працэсаў, якія працякаюць, найбольш выразна выяўляецца пры запісе ўраўненняў рэакцый электралітаў у іоннай форме. Для гэтага спачатку складаем ураўненне рэакцыі ў малекулярнай форме:

H₂SO₄ + 2NaOH = Na₂SO₄ + 2H₂O,

а потым — ураўненне ў поўнай іоннай форме, паказваючы моцныя электраліты ў выглядзе іонаў, якія ўтвараюць газападобныя і маладысацыіраваныя злучэнні, у дадзеным выпадку ваду, у выглядзе малекул:

,

а нерастваральныя злучэнні немалекулярнай будовы ў выглядзе формульных адзінак.

Для складання ўраўнення ў скарочанай іоннай форме выключаем з абедзвюх частак ураўнення іоны, якія не ўдзельнічаюць у рэакцыі:

2H⁺ + 2OH^– = 2H₂O або H⁺ + OH^– = H₂O.

Ураўненне рэакцыі ў скарочанай іоннай форме цалкам паказвае хімічную сутнасць таго ўзаемадзеяння, якое адбываецца.

Відавочна, што якую б шчолач і моцную кіслату мы ні ўзялі, узаемадзеянне паміж імі з утварэннем растваральнай солі будзе паказана такім жа ўраўненнем: H⁺ + OH^– = H₂O. Ва ўсіх гэтых выпадках будзе працякаць адна і тая ж хімічная рэакцыя — рэакцыя нейтралізацыі з вылучэннем каля 57 кДж энергіі на адзін моль утворанай вады.

Ураўненні ў скарочанай іоннай форме не толькі адносяцца да адной канкрэтнай рэакцыі паміж пэўнымі рэчывамі, але і ахопліваюць групу аналагічных рэакцый. У гэтым іх асноўная каштоўнасць і абагульняючае значэнне.

Разгледзім хімічныя ўласцівасці кіслот, асноў і солей з пазіцыі тэорыі электралітычнай дысацыяцыі.

Агульныя хімічныя ўласцівасці кіслот

Кіслоты — гэта электраліты, пры дысацыяцыі якіх у якасці катыёнаў утвараюцца толькі катыёны вадароду.

Прысутнасць кіслот у растворах вызначаюць з дапамогай індыкатараў. Так, у кіслым асяроддзі (рН < 7) лакмус і метыларанж маюць чырвоную афарбоўку (гл. мал. 59). Агульныя хімічныя ўласцівасці моцных кіслот абумоўлены рэакцыямі, у якія ўступаюць толькі катыёны вадароду H⁺. Да іх адносяць утварэнне солей пры ўзаемадзеянні з металамі, асноўнымі і амфатэрнымі аксідамі, асновамі і солямі (табл. 17).

Табліца 17. Хімічныя ўласцівасці кіслот у святле тэорыі электралітычнай дысацыяцыі

Рэагент	Ураўненне рэакцыі ў малекулярнай і поўнай іоннай формах	Ураўненне рэакцыі у скарочанай іоннай форме
1. Індыкатар	Як правіла, ураўненне дысацыяцыі: HBr → H+ + Br–
2. Метал	Мg + 2HCl = MgCl2 + H2↑ Mg0 + 2Н+ + 2Сl– = Mg2+ + 2Сl– + H2↑	Mg0 + 2H+ = Mg2+ + H2↑
3. Аксід а) асноўны	МgO + 2HNO3 = Mg(NO3)2 + H2O MgO + 2Н+ + = Mg2+ + + H2O	MgO + 2H+ = Mg2+ + H2O
б) амфатэрны	ZnO + 2HCl = ZnCl2 + H2O ZnO + 2Н+ + 2Сl– = Zn2+ + 2Сl– + H2O	ZnO + 2H+ = Zn2+ + H2O
4. Аснова а) шчолач	NaOH + HCl = NaCl + H2O Na+ + OH– + H+ + Сl– = Na+ + Сl– + H2O	H+ + OH– = H2O
б) нерастваральная аснова	H2SO4 + Fe(OH)2 = FeSO4 + 2H2O 2H+ + + Fe(OH)2 = Fe2++ + 2H2O	2H+ + Fe(OH)2 = Fe2+ + 2H2O
5. Соль	2HNO3 + Na2CO3 = 2NaNO3 + H2O + CO2↑ 2H+ + + 2Na+ + = 2Na+ + + CO2↑ + H2O	2H+ + = CO2↑ + H2O

Такім чынам, катыён вадароду Н⁺ у растворах кіслот забяспечвае працяканне асноўных рэакцый гэтага класа злучэнняў. Вывад пацвярджаецца адсутнасцю аніёнаў кіслотных астаткаў у скарочаных іонных ураўненнях усіх рэакцый іоннага абмену з удзелам іонаў вадароду. Аніёны кіслотных астаткаў адказваюць толькі за спецыфічныя ўласцівасці канкрэтных кіслот: акісляльныя, аднаўленчыя, удзел у рэакцыях абмену з выпадзеннем нерастваральных солей гэтых аніёнаў і інш.

Агульныя хімічныя ўласцівасці асноў

Сярод асноў добра растваральныя толькі шчолачы. Прысутнасць шчолачаў у растворах вызначаюць з дапамогай індыкатараў, пры гэтым рН > 7.

Шчолачы — гэта электраліты, пры дысацыяцыі якіх у якасці аніёнаў утвараюцца толькі гідраксід-іоны. Іх агульныя рэакцыі прыведзены ў табліцы 18.

Табліца 18. Хімічныя ўласцівасці шчолачаў у святле тэорыі электралітычнай дысацыяцыі

Рэагент	Ураўненне рэакцыі ў малекулярнай форме	Ураўненне рэакцыі ў скарочанай іоннай форме
1. Індыкатар	Як правіла, ураўненне дысацыяцыі: NaOH → Na+ + OH–
2. Кіслата	2HCl + Ca(OH)2 = CaCl2 + 2H2O	H+ + OH– = H2O
3. Соль а) соль нерастваральнай у вадзе асновы	Mg(NO3)2 + 2NaOH = 2NaNO3 + Mg(OH)2↓	Mg2+ + 2OH– = Mg(OH)2↓
б) соль амонію	NH4Cl + KOH = KCl + NH3↑ + H2O	+ OH– = NH3↑ + H2O
в) кіслая соль	NaHCO3 + NaOH = Na2CO3 + H2O	+ OH– = + H2O
4. Аксід а) кіслотны аксід	CO2 + KOH = KHCO3 CO2 + 2KOH = K2CO3 + Н2О	CO2 + OH– = CO2 + 2OH– = + H2O
б) амфатэрны аксід	ZnO + 2NaOH + H2O = Na2[Zn(OH)4]	ZnO + 2OH– + H2O = [Zn(OH)4]2–
5. Амфатэрны гідраксід	Zn(OH)2 + 2NaOH = Na2[Zn(OH)4]	Zn(OH)2 + 2OH– = [Zn(OH)4]2–

Такім чынам, аніёны OН^– у растворах шчолачаў забяспечваюць працяканне асноўных рэакцый гэтага класа злучэнняў. Гэты вывад пацвярджаецца адсутнасцю катыёнаў металаў у скарочаных іонных ураўненнях усіх рэакцый іоннага абмену з удзелам шчолачаў. Катыёны металаў адказваюць толькі за спецыфічныя ўласцівасці канкрэтных шчолачаў: растваральнасць, удзел у рэакцыях абмену з выпадзеннем нерастваральных солей гэтых катыёнаў і інш.

Агульныя хімічныя ўласцівасці солей

Хімічныя ўласцівасці і рэакцыі солей у растворах абумоўлены галоўным чынам рэакцыямі іх іонаў. У выніку ўзаемадзеяння солей слабых кіслот з моцнымі кіслотамі ўтвараюцца слабыя кіслоты — працякае рэакцыя іоннага абмену, пры якой адбываецца выцясненне кіслаты з яе солі больш моцнай кіслатой.

Рэакцыі солей са шчолачамі прыводзяць да асаджэння нерастваральных у вадзе асноў, вылучэння аміяку з солей амонію і ўтварэння сярэдніх солей з кіслых солей.

У водных растворах солі ўступаюць у рэакцыю іоннага абмену з іншымі солямі, а таксама ў рэакцыі замяшчэння з больш актыўнымі металамі. Тыповыя рэакцыі з удзелам солей у растворах прыведзены ў табліцы 19.

Табліца 19. Хімічныя ўласцівасці солей у святле тэорыі электралітычнай дысацыяцыі

Рэагент	Ураўненне рэакцыі ў малекулярнай форме	Ураўненне рэакцыі ў скарочанай іоннай форме
1. Кіслата	Na2CO3 + 2HCl = 2NaCl + CO2↑ + H2O	+ 2H+ = CO2↑ + H2O
2. Шчолач	CuCl2 + 2KOH = Cu(OH)2↓ + 2KCl	Cu2+ + 2OH– = Cu(OH)2↓
3. Соль	BaCl2 + К2SO4 = BaSO4↓ + 2КCl	Ba2+ + = BaSO4↓
4. Метал	CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu↓	Cu2+ + Fe = Fe2+ + Cu↓

З пазіцыі тэорыі электралітычнай дысацыяцыі хімічныя ўласцівасці раствораў солей абумоўлены рэакцыямі з удзелам катыёнаў металаў (або амонію) і аніёнаў кіслотных астаткаў.

Акрамя катыёнаў металаў і амонію, у солях могуць знаходзіцца катыёны фасфонію , арганічныя вытворныя амонію, напрыклад катыён тэтраметыламонію , а таксама комплексныя катыёны — і г. д. Аніёнамі ў солях нярэдка выступаюць такія комплексныя аніёны, як , , , [Zn(OH)₄]^2– і інш.

Пытанні, заданні, задачы

1. Карыстаючыся табліцай растваральнасці, назавіце чатыры аніёны, якія ўтвараюць нерастваральныя солі з катыёнаў Ca²⁺.

2. C якімі з пералічаных злучэнняў і простых рэчываў рэагуе разбаўленая серная кіслата: HCl, Na₂SO₄, NaHSO₃, Ba(OH)₂, NH₃, LiOH, CO₂, SO₂? Складзіце ўраўненні магчымых хімічных рэакцый у малекулярнай, поўнай і скарочанай іоннай формах.

3. Складзіце ў малекулярнай форме тры ўраўненні рэакцый нейтралізацыі, адпаведных ураўненням: Н⁺ + ОН^– = Н₂О.

4. Складзіце ў малекулярнай і поўнай іоннай формах ураўненні хімічных рэакцый у адпаведнасці з ураўненнямі:

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

5. Укажыце рэагенты і індыкатары, з дапамогай якіх можна адрозніць растворы Ca(OH)₂ і H₂SO₄: лакмус, метыларанж, фенолфталеін, універсальная індыкатарная папера, CO₂, BaCl₂, CuCl₂, Fe (апілкі), NaHCO₃, KF, FeCl₃, H₃PO₄. Назавіце якасныя прыкметы рэакцый, напішыце іх ураўненні ў малекулярнай, поўнай і скарочанай іоннай формах.

6. Вызначце масу медзі, якую можна вылучыць з 1 дм³ раствору CuCl₂ з канцэнтрацыяй 0,07 моль/дм³ жалезнымі апілкамі, узятымі ў лішку, калі такім чынам атрымліваюць 95 % металу.

7. Назавіце масу раствору з масавай доляй карбанату натрыю 8,48 %, неабходную для поўнага асаджэння катыёнаў Ca²⁺ з раствору масай 222 г, у якім масавая доля хларыду кальцыю складае 0,10.

8. Вылічыце масу пітной соды NaHCO₃, якая неабходна для нейтралізацыі 96,0%-най сернай кіслаты аб’ёмам 1,00p  дм³ і ρ = 1,835 г/см³.

9. Да раствору ёдыду барыю BaI₂ масай 391 г з масавай доляй солі, роўнай 40 %, дадалі 96%-ны раствор H₂SO₄ з ρ = 1,835 г/см³ у колькасці, дастатковай для поўнага асаджэння барыю ў выглядзе BaSO₄. Разлічыце масу (г) і аб’ём (см³) дададзенага раствору сернай кіслаты.

10. Выкарыстоўваючы даныя задачы 9, разлічыце масу асадку BaSO₄, а таксама масу раствору ўтворанага ёдавадароду і масавую долю HI у ім.

§ 27.1

*Пытанні, заданні, задачы

1. Дадзены растворы рэчываў: NaOH, HCl, NaCl, KOH, HNO₃, Ca(OH)₂, NH₃, CO₂, SO₂, СH₃СOOH, HNO₂, HF. Размяркуеце пералічаныя растворы ў тры рады:

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

2. З якімі рэчывамі рэагуе разбаўленая серная кіслата: HCl, Na₂SO₄, NaHSO₃, Ba(OH)₂, NH₃, LiOH, CO₂, SO₂? Складзіце ўраўненні магчымых хімічных рэакцый у малекулярнай, поўнай і скарочанай іоннай формах.

3. Закончыце ўраўненні хімічных рэакцый у малекулярнай форме і запішыце іх у скарочанай іоннай форме:

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

Укажыце ўмовы працякання гэтых рэакцый.

4. Укажыце рэагенты і індыкатары, з дапамогай якіх можна адрозніць растворы Ca(OH)₂ і H₂SO₄: лакмус, метыларанж, фенолфталеін, універсальная індыкатарная папера, CO₂, BaCl₂, CuCl₂, Fe (апілкі), NaHCO₃, KF, FeCl₃, H₃PO₄. Укажыце якасныя прыкметы рэакцый, напішыце іх ураўненні ў малекулярнай, поўнай і скарочанай іоннай формах.

5. Карыстаючыся табліцай растваральнасці, укажыце аніёны, якія ўтвараюць нерастваральныя солі з катыёнам Mg₂+. Запішыце ўраўненні трох рэакцый утварэння гэтых солей у скарочанай іоннай форме.

6. Якія з пар іонаў будуць рэагаваць паміж сабой з утварэннем асадкаў, а якія з утварэннем маладысацыіраваных рэчываў малекулярнай будовы:

• 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. Ці хопіць раствору аб’ёмам 750 см³ з малярнай канцэнтрацыяй KОН, роўнай 0,5 моль/дм³, для поўнай нейтралізацыі раствору масай 200 г, у якім масавая доля HCl складае 7,3 %? Вызначце вобласць значэнняў рН (больш ці менш за 7) раствору пасля заканчэння рэакцыі.

8. У растворы азоцістай кіслаты лік непрадысацыіраваных малекул у 2,5 разы большы за лік прадысацыіраваных. Укажыце ступень дысацыяцыі α (у працэнтах) і рН раствору, калі зыходная канцэнтрацыя кіслаты ў ім была роўная 0,0035 моль/дм³.

9. Вызначце колькасці (моль) зыходных рэчываў Al₂(SO₄)₃ · 18H₂O і NH₃ · H₂O, пры ўзаемадзеянні якіх утвараецца гідраксід алюмінію Al(OH)₃ колькасцю 1,0 моль.

10. Вылічыце масу Na₂CO₃ (кампанент пральнага парашку), неабходную для асаджэння ўсіх катыёнаў кальцыю і магнію з вады (для мыцця бялізны) аб’ёмам 20 дм³ з малярнай канцэнтрацыяй сумы катыёнаў кальцыю і магнію, роўнай 0,0035 моль/дм³ (норма гранічнай жорсткасці для водаправоднай вады). Складзіце ўраўненні адпаведных рэакцый у скарочанай іоннай форме.

*Самакантроль

1. Рэакцыі абмену ў растворах электралітаў працякаюць неабарачальна, калі:

• а) прадукты рэакцыі лёгка дысацыіруюць на іоны;
• б) выпадае асадак;
• в) вылучаецца газ;
• г) утвараецца слабы электраліт

2. Ураўненне рэакцыі ў скарочанай іоннай форме H⁺ + ОН^– = H₂O апісвае ўзаемадзеянне:

• 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. Агульныя ўласцівасці для раствораў абодвух прыведзеных у пары электралітаў у святле тэорыі электралітычнай дысацыяцыі абумоўлены:

• а) катыёнам вадароду для НCl і H₂SO₄;
• б) іонам металу для NaOH і Ca(OH)₂;
• в) іонам кіслотнага астатку для MgSO₄ і MgCl₂;
• г) катыёнам барыю для ВаCl₂ і Ва(NO₃)₂.

4. У растворы могуць суіснаваць у значных колькасцях іоны:

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

5. У іонных ураўненнях рэакцый у выглядзе іонаў не паказваюць:

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