Гидроксиды. Сходство и различие свойств кислот, оснований, амфотерных гидроксидов

 

 

Гидроксиды. Сходство и различие свойств кислот, оснований, амфотерных гидроксидов.

 

 

 

 

Работа ученика 8 «Б» класса лицея №1586

Пузачёва Фёдора

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва  - 2013

 

 

Содержание 

1)Кислоты. Классификация кислот. Химические свойства.

 

2)Основания. Свойства и классификация оснований. Щелочи.

 

3)Понятие амфотерных гидроксидов

4)Классификация амфотерных соединений

5)Свойства

6)Вода –амфотерное соединение

7)Получение

8)Органические амфотерные соединения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кислоты. Классификация кислот. Химические свойства.

Растворы всех кислот на вкус кислые. Такие кислоты как уксусная (содержится в столовом уксусе), яблочная, лимонная, аскорбиновая (витамин С), щавелевая  и некоторые другие (эти кислоты  содержатся в растениях) знакомы  всем именно своим кислым вкусом.

В этом параграфе мы рассмотрим только важнейшие неорганические кислоты, то есть такие, которые не синтезируются  живыми организмами, но играют большую  роль в химии и химической промышленности.

Все кислоты, независимо от их происхождения, объединяет общее свойство – они  содержат реакционноспособные атомы  водорода. В связи с этим кислотам можно дать следующее определение:

Кислота – это сложное вещество, в молекуле которого имеется один или несколько атомов водорода и  кислотный остаток.

Свойства кислот определяются тем, что они способны заменять в своих  молекулах атомы водорода на атомы  металлов. Например:

H2SO4 + Mg = MgSO4 + H2

серная кислота   металл   соль   водород

H2SO4 + MgO = MgSO4 + H2O

серная кислота   оксид   соль   вода

На примере серной кислоты рассмотрим ее образование из кислотного оксида SO3, а затем реакцию серной кислоты  с магнием.

Кислоты классифицируют по таким признакам: а) по наличию или отсутствию кислорода  в молекуле и б) по числу атомов водорода. Бескислородные кислоты не являются гидроксидами.

Наиболее известные кислородсодержащие кислоты:

H2SO4 серная кислота

H2SO3 сернистая кислота

HNO3 азотная кислота

H3PO4 фосфорная кислота

H2CO3 угольная кислота

H2SiO3 кремниевая кислота

По количеству атомов водорода, способных  замещаться на металл, все кислоты  делятся на одноосновные (с одним атомом водорода), двухосновные (с 2 атомами Н) и трехосновные (с 3 атомами Н).

Классификация кислот по числу атомов водорода.

Одноосновные Двухосновные Трехосновные

HNO3 азотная

H2SO4 серная 

H2SO3 сернистая

H2CO3 угольная 

H2SiO3 кремниевая  H3PO4 фосфорная

Термин "одноосновная кислота" возник потому, что для нейтрализации  одной молекулы такой кислоты  требуется "одно основание", т.е. одна молекула какого-либо простейшего основания  типа NaOH или KOH:

HNO3 + NaOH = NaNO3 + H2O

HCl + KOH = KCl + H2O

Двухосновная кислота требует  для своей нейтрализации уже "два  основания", а трехосновная – "три  основания":

H2SO4 + 2 NaOH = Na2SO4 + 2 H2O

H3PO4 + 3 NaOH = Na3PO4 + 3 H2O

Рассмотрим важнейшие химические свойства кислот.

1. Действие растворов кислот  на индикаторы. Практически все  кислоты (кроме кремниевой) хорошо растворимы в воде. Растворы кислот в воде изменяют окраску специальных веществ – индикаторов. По окраске индикаторов определяют присутствие кислоты. Индикатор лакмус окрашивается растворами кислот в красный цвет, индикатор метиловый оранжевый – тоже в красный цвет.

2. Взаимодействие кислот с основаниями.  Эта реакция называется реакцией  нейтрализации. Кислота реагируют  с основанием с образованием  соли, в которой всегда в неизменном  виде обнаруживается кислотный  остаток. Вторым продуктом реакции  нейтрализации обязательно является  вода. Например:

кислота   основание   соль   вода

H2SO4 + Ca(OH)2 = CaSO4 + 2 H2O

H3PO4 + Fe(OH)3 = FePO4 + 3 H2O

2 H3PO4 + 3 Ca(OH)2 = Ca3(PO4)2 + 6 H2O

Для реакций нейтрализации достаточно, чтобы хотя бы одно из реагирующих  веществ было растворимо в воде. Поскольку практически все кислоты  растворимы в воде, они вступают в реакции нейтрализации не только с растворимыми, но и с нерастворимыми основаниями. Исключением является кремниевая кислота, которая плохо  растворима в воде и поэтому может  реагировать только с растворимыми основаниями – такими как NaOH и KOH:

H2SiO3 + 2 NaOH = Na2SiO3 + 2H2O

3. Взаимодействие кислот с основными  оксидами. Поскольку основные оксиды  – ближайшие родственники оснований  – с ними кислоты также вступают  в реакции нейтрализации:

кислота   оксид   соль   вода

2 HCl + CaO = CaCl2 + H2O

2 H3PO4 + Fe2O3 = 2 FePO4 + 3 H2O

Как и в случае реакций с основаниями, с основными оксидами кислоты  образуют соль и воду. Соль содержит кислотный остаток той кислоты, которая использовалась в реакции  нейтрализации.

Например, фосфорную кислоту используют для очистки железа от ржавчины (оксидов  железа). Фосфорная кислота, убирая с поверхности металла его  оксид, с самим железом реагирует  очень медленно. Оксид железа превращается в растворимую соль FePO4, которую  смывают водой вместе с остатками  кислоты.

4. Взаимодействие кислот с металлами. для взаимодействия кислот с металлом должны выполняться некоторые условия (в отличие от реакций кислот с основаниями и основными оксидами, которые идут практически всегда).

Во-первых, металл должен быть достаточно активным (реакционноспособным) по отношению  к кислотам. Например, золото, серебро, медь, ртуть и некоторые другие металлы с выделением водорода с кислотами не реагируют. Такие металлы как натрий, кальций, цинк – напротив – реагируют очень активно с выделением газообразного водорода и большого количества тепла.

  Кислота                  металл                          соль

    HCl           +             Hg        =       не образуется

  2 HCl           +           2 Na            =             2 NaCl              +        H2¬

H2SO4               +              Zn              =              ZnSO4                    +        H2¬

По реакционной способности  в отношении кислот все металлы  располагаются в ряд активности металлов .Слева находятся наиболее активные металлы, справа – неактивные. Чем левее находится металл в ряду активности, тем интенсивнее он взаимодействует с кислотами.

Ряд активности металлов.

Металлы, которые вытесняют водород  из кислот Металлы, которые не вытесняют водород из кислот

K Ba Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Ni Sn Pb (H)

¬ самые активные металлы Cu Hg Ag Pt Au

самые неактивные металлы ® 

Во-вторых, кислота должна быть достаточно сильной, чтобы реагировать даже с металлом из левой части табл. Под силой кислоты понимают ее способность отдавать ионы водорода H+.

Например, кислоты растений (яблочная, лимонная, щавелевая и т.д.) являются слабыми кислотами и очень  медленно реагируют с такими металлами  как цинк, хром, железо, никель, олово, свинец (хотя с основаниями и оксидами металлов они способны реагировать).

С другой стороны, такие сильные  кислоты как серная способны реагировать со всеми металлами из левой части табл.

В связи с этим существует еще  одна классификация кислот – по силе. В таблице в каждой из колонок  сила кислот уменьшается сверху вниз.

 Классификация кислот на  сильные и слабые кислоты.

Сильные кислоты Слабые кислоты

H2SO4 серная

HNO3 азотная H3PO4 фосфорная

H2SO3 сернистая 

H2CO3 угольная 

H2SiO3 кремниевая

В реакциях кислот с металлами есть одно важное исключение. При взаимодействии металлов с азотной кислотой водород  не выделяется. Это связано с тем, что азотная кислота содержит в своей молекуле сильный окислитель – азот в степени окисления +5. Поэтому с металлами в первую очередь реагирует более активный окислитель N+5, а не H+, как в других кислотах. Это же наблюдается и  для реакций концентрированной  серной кислоты, в молекуле которой  сера S+6 также выступает в роли главного окислителя. Состав продуктов  в этих окислительно-восстановительных реакциях зависит от многих факторов: активности металла, концентрации кислоты, температуры. Например:

Cu + 4 HNO3(конц.) =Cu(NO3)2 + 2 NO2 + 2 H2O

3 Cu + 8HNO3(разб.) = 3 Cu(NO3)2 + 2 NO + 4 H2O

8 K + 5 H2SO4(конц.) = 4 K2SO4 + H2S + 4 H2O

3 Zn + 4 H2SO4(конц.) = 3 ZnSO4 + S + 4 H2O

Есть металлы, которые реагируют  с разбавленными кислотами, но не реагирует с концентрированными (т.е. безводными) кислотами – серной кислотой и азотной кислотой.

Эти металлы – Al, Fe, Cr, Ni и некоторые другие – при контакте с безводными кислотами сразу же покрываются продуктами окисления (пассивируются). Продукты окисления, образующие прочные пленки, могут растворяться в водных растворах кислот, но нерастворимы в кислотах концентрированных.

Это обстоятельство используют в промышленности. Например, концентрированную серную кислоту хранят и перевозят в  железных бочках.

 

Основания. Свойства и классификация оснований. Щелочи.

 

Если вещество содержит гидрокси-группы (ОН), которые могут отщепляться (подобно отдельному "атому") в реакциях с другими веществами, то такое вещество является основанием. Существует много оснований, которые состоят из атома какого-либо металла и присоединенных к нему гидрокси-групп. Например:

NaOH – гидроксид натрия,

KOH – гидроксид калия,

Ca(OH)2 – гидроксид кальция,

Fe(OH)3 – гидроксид железа (III),

Ba(OH)2 – гидроксид бария.

Гидрокси-группы одновалентны, поэтому формулу основания легко составить по валентности металла. К химическому символу металла надо приписать столько гидрокси-групп, какова валентность металла. Большинство оснований – ионные соединения.

Основаниями называются вещества, в  которых атомы металла связаны  с гидрокси-группами.

Существует также основание, в  котором гидрокси-группа присоединена не к металлу, а к иону NH4+ (катиону аммония). Это основание называется гидроксидом аммония и имеет формулу NH4OH. Гидроксид аммония образуется в рекции присоединения воды к аммиаку, когда аммиак растворяют в воде:

NH3 + H2O = NH4OH (гидроксид аммония).

Основания бывают растворимыми и нерастворимыми. Растворимые основания называются щелочами. Растворы щелочей скользкие  на ощупь ("мыльные") и довольно едкие. Они разъедают кожу, ткани, бумагу, очень опасны (как и кислоты) при попадании в глаза. Поэтому  при работе со щелочами и кислотами  необходимо пользоваться защитными  очками.

Если раствор щелочи все-таки попал  в лицо, необходимо промыть глаза  большим количеством воды, а затем  разбавленным раствором слабой кислоты (например, уксусной). Этот способ медицинской  помощи основан на уже известной  нам реакции нейтрализации.

NaOH + уксусная кислота (разб.) = соль + вода

Лишь небольшую часть всех оснований  называют щелочами. Это, например, KOH –  гидроксид калия (едкое кали), NaOH – гидроксид натрия (едкий натр), LiOH – гидроксид лития, Ca(OH)2 – гидроксид кальция (его раствор называется известковой водой), Ba(OH)2 – гидроксид бария. Большинство других оснований в воде нерастворимы и щелочами их не называют.

Щелочами называются растворимые  в воде сильные основания.

Разные основания имеют разную способность отщеплять гидрокси-группы, поэтому их, подобно кислотам, подразделяют на сильные и слабые основания (таблица 8-5). Сильные основания в водных растворах склонны легко отдавать свои гидрокси-группы, а слабые – нет.

Классификация оснований по силе.

Сильные основания	Слабые основания
NaOH гидроксид натрия (едкий натр)	Fe(OH)2 гидроксид железа (II)
KOH гидроксид калия (едкое кали)	Zn(OH)2 гидроксид цинка
LiOH гидроксид лития	NH4OH гидроксид аммония
Ba(OH)2 гидроксид бария	Fe(OH)3 гидроксид железа (III)