Взаимодействие оксидов и гидроксисоединений с водой

Хорошо растворимы в воде типично ионные оксиды и гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов:

IA IIА

Li
Na
K	Ме2О	Ca	MeO
Rb	МеОН	Sr	Me(OH)2
Cs		Ba
Fr		Ra

период

увеличение

растворимости оксидов и

гидроксидов

Подгруппа

Растворяясь, ионные оксиды вступают в химическое взаимодействие с водой, образуя соответствующие гидроксиды:

Na₂O + H₂O → 2NaOH

CaO + H₂O → Ca(OH)₂

сильно сильное

основный оксид основание

 

Гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов являются сильными основаниями и в воде полностью диссоциируют на катионы металлов и гидроксид-ионы:

NaOH Na⁺ + OH^–

 

Так как концентрация ОН^— ионов увеличивается, растворы этих веществ имеют сильнощелочную среду (рН>>7); их называют щелочами.

Вторая группа хорошо растворимых в воде оксидов и соответствующих им гидроксисоединений – молекулярные оксиды и кислоты с ковалентным типом химических связей. К ним относятся соединения типичных неметаллов в высшей степени окисления и некоторых d-металлов в степени окисления: +6, +7. Растворимые молекулярные оксиды (SO₃, N₂O₅, Cl₂O₇, Mn₂O₇) взаимодействуют с водой с образованием соответствующих кислот:

+6 +6

SO₃ + H₂O H₂SO₄

оксид серы (VI) серная кислота

сильнокислотный сильная кислота

оксид

+5 +5

N₂O₅ + H₂O 2HNO₃

оксид азота (V) азотная кислота

+7 +7

Mn₂O₇ + H₂O 2HMnO₄

оксид марганца (VII) марганцевая кислота

 

Сильные кислоты (H₂SO₄, HNO₃, HClO₄, HClO₃, HMnO₄) в растворах полностью диссоциируют на катионы Н⁺ и кислотные остатки:

HNO₃ H⁺ + NO₃^–

Их растворы имеют сильнокислую среду (рН<<7).

Хорошо растворим в воде оксид фосфора (V):

P₂O₅ + H₂O → 2HPO₃ 2H₃PO₄

Образующаяся ортофосфорная кислота средней силы диссоциирует частично в три стадии:

1 стадия: H₃PO₄ H⁺ + H₂PO₄^–

K₁=([H⁺] [H₂PO₄^–])/[H₃PO₄]=7,5∙10^–3;

2 стадия: H₂PO₄^– H⁺ + HPO₄^2–

K₂=([H⁺][HPO₄^2–)/[H₂PO₄]=6,2∙10^–8;

3 стадия: HPO₄^2– H⁺ + PO₄^3–

K₃=([H⁺][PO₄^3–])/[HPO₄^3–]=4,4∙10^–13,

где К₁, К₂, К₃ – константы диссоциации ортофосфорной кислоты соответственно по первой, второй и третьей стадии.

Константа диссоциации (табл.1 приложения) характеризует силу кислоты, т.е. её способность распадаться (диссоциировать) на ионы в среде данного растворителя при данной температуре. Чем больше константа диссоциации, тем больше равновесие смещено в сторону образования ионов, тем сильнее кислота, т.е. по первой стадии диссоциация фосфорной кислоты идет лучше, чем по второй, и соответственно, по третьей стадии.

Умеренно растворимые оксиды серы (IV), углерода (IV), азота (III) и др. образуют в воде соответствующие слабые кислоты, диссоциирующие частично.

CO₂ + H₂O H₂CO₃ H⁺ + HCO₃^–

SO₂ + H₂O H₂SO₃ H⁺ + HSO₃^–

N₂O₃ + H₂O 2HNO₂ H⁺ + NO₂^–

слабо- слабые

кислотные кислоты

оксиды

 

Реакция нейтрализации

Реакция нейтрализации может быть выражена следующей схемой:

 

	Основное соединение		Кислотное соединение		соль		Н2О

+ → +

 

(основание или (кислота или кислот-

основный оксид) ный оксид)

 

5.3.1. Свойства основных соединений проявляют оксиды и гидроксиды s- металлов (исключение Be), d-металлов в степени окисления (+1, +2) (исключение Zn), некоторых р-металлов [Tl(+1), Bi(+3)] (см. рис. 3).

 

 

VIIIA

I A

II A

IIIA

IVA

VA

VIA

VIIA

Li

Be

B

C

N

O

F

Нейтральные

Диагональное сходство

Al

Zn

Ge

Нерастворимые: обычно основные

Амфо- терные оксиды

Слабо-кислотные

Оксиды растворяются, образуя кислоты

 

Рис. 3. Кислотно-основные свойства оксидов и соответствующих им гидроксисоединений

 

Характерным свойством основных соединений является их способность взаимодействовать с кислотами, кислотными или амфотерными оксидами с образованием солей, например:

KOH + HCl KCl + H₂O

Ba(OH)₂ + CO₂ BaCO₃ + H₂O

2NaO + Al₂O₃ 2NaAlO₂ + H₂O

В зависимости от числа протонов, которые могут присоединяться к основанию, различают основания однокислотные (например, LiOH, KOH, NH₄OH), двукислотные [Ca(OH)₂, Fe(OH)₂] и т.д.

Для многокислотных оснований реакция нейтрализации может протекать постадийно с образованием сначала основных, а затем средних солей.

HCl HCl

Me(OH)₂ MeOHCl MeCl₂

гидроксид NaOH основная NaOH средняя

металла соль соль

Например:

1 стадия: Co(OH)₂ + HCl CoOHCl + H₂O

хлорид

гидроксокобальта (II)

(основная соль)

2 стадия: Co(OH)Cl + HCl CoCl₂ + H₂O

хлорид

кобальта (II)

(средняя соль)

5.3.2. Свойства кислотных соединений проявляют оксиды и кислоты неметаллов, а также d-металлов в степени окисления (+5, +6, +7) (см. рис. 3).

Характерным свойством является их способность взаимодействовать с основаниями, основными и амфотерными оксидами с образованием солей, например:

2HNO₃ + Cu(OH)₂ → Cu(NO₃)₂ + 2H₂O

2HCl + CaO → CaCl₂ + H₂O

H₂SO₄ + ZnO → ZnSO₄ + H₂O

CrO₃ + 2NaOH → Na₂CrO₄ + H₂O

По наличию кислорода в своем составе кислоты делятся на кислородсодержащие (например, H₂SO₄, HNO₃) и бескислородные (HBr, H₂S). По числу содержащихся в молекуле кислоты атомов водорода, способных замещаться атомами металла, различают кислоты одноосновные (например, хлороводород HCl, азотистая кислота HNO₂), двухосновные (сернистая H₂SO₃, угольная H₂CO₃), трехосновные (ортофосфорная H₃PO₄) и т.д.

Многоосновные кислоты нейтрализуются ступенчато с образованием первоначально кислых, а затем средних солей:

NaOH NaOH

H₂X NaHX Na₂X

HCl HCl

многоосновная кислая средняя

кислота соль соль

Например, ортофосфорная кислота может образовать три вида солей в зависимости от количественного соотношения взятых кислоты и щелочи:

а) NaOH + H₃PO₄ → NaH₂PO₄ + H₂O;

1: 1 дигидрофосфат

натрия

б) 2NaOH + H₃PO₄ → Na₂HPO₄ + 2H₂O;

2: 1 гидрофосфат

натрия

в) 3NaOH + H₃PO₄ → Na₃PO₄ + 3H₂O.

3: 1 ортофосфат

натрия

 

5.3.3. Амфотерные оксиды и гидроксиды образуют Ве, р-металлы, находящиеся вблизи «диагонали амфотерности» (Al, Ga, Sn, Pb), а также d-металлы в степенях окисления (+3, +4) и Zn (+2) (см. рис. 3).

Незначительно растворяясь, амфотерные гидроксиды диссоциируют как по основному, так и по кислотному типу:

 

2H₂O

2H⁺ + [Zn(OH)₄]^2– Zn(OH)₂ Zn²⁺ + 2OH^–

Поэтому амфотерные оксиды и гидроксиды могут взаимодействовать как с кислотами, так и с основаниями. При взаимодействии с более сильными кислотами амфотерные соединения проявляют свойства оснований.

ZnO + SO₃ → ZnSO₄ + H₂O

кислотный

оксид

Zn(OH)₂ + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂O

основные кислота

соединения

При взаимодействии с сильными основаниями амфотерные соединения проявляют свойства кислот, образуя соответствующие соли. Состав соли зависит от условий проведения реакции. При сплавлении образуются простые «обезвоженные» соли.

t^o

2NaOH + Zn(OH)₂ → Na₂ZnO₂ + H₂O↑

(тв) (тв)

основание кислотное цинкат натрия

соединение

(H₂ZnO₂)

2NaOH + ZnO → Na₂ZnO₂ + H₂O↑

(тв) (тв)

В водных растворах щелочей образуются комплексные соли:

2NaOH + Zn(OH)₂ → Na₂[Zn(OH)₄]

(водный тетрагидроксоцинкат

раствор) натрия