Промышленный способ получения щелочей

Самоучитель по химии

Пособие для тех, кто не знает, но хочет узнать и понять химию

Часть I. Элементы общей химии
(первый уровень сложности)

Продолжение. Начало см. в № 13, 18/2007

Глава 2. Важнейшие классы
неорганических соединений (окончание)

Основания – это сложные вещества, в состав которых входят атомы металлов и гидроксигруппы ОН.

Общая формула оснований: где n – число групп ОН и валентность металла.

Валентность ОН-группы равна I.

Основания называют по схеме:

гидроксид (чего?) металла (n),

где n – переменная валентность металла.

Например: Са(ОН)₂ – гидроксид кальция, Fе(OH)₃ – гидроксид железа(III), NH₄OH – гидроксид аммония.

Обратите внимание. В состав последнего основания не входит атом металла. Это исключение. Валентность группы NН₄ (аммоний) равна I.

По растворимости в воде основания подразделяют на растворимые и нерастворимые. Это легко определить по таблице растворимости.

Растворимые в воде основания называются щелочами. В состав щелочей входят атомы активных металлов (они находятся в начале ряда напряжений, до магния). Гидроксид аммония тоже относится к щелочам, т.к. существует только в растворах.

Задание 2.21. Пользуясь таблицей растворимости или рядом напряжений, составьте химические формулы двух-трех щелочей.

Свойства и способы получения щелочей

Щелочи можно получить действием активного металла (K, Nа, Cа, Ва) или его оксида на воду:

2Nа + 2H₂O = 2NаОН + H₂,

• Растворы щелочей реагируют с кислотными и амфотерными оксидами, а также с кислотами. Последняя реакция называется реакцией нейтрализации:

Реакция нейтрализации характерна для всех кислот.

• Растворы щелочей реагируют с растворами солей. Реакция происходит, если образуется хотя бы одно нерастворимое соединение. Эта реакция относится к реакциям обмена, т.е. в результате получается новая соль и новое основание:

Обратите внимание. 1) Последняя реакция не происходит, т.к. оба вещества в правой части уравнения растворимы в воде.

2) Валентности составных частей исходных веществ определяйте по кислотному остатку или по числу групп ОН.

3) Полученные значения валентностей используйте при составлении формул веществ – продуктов реакции.

4) Растворимость получаемых веществ определяйте по таблице растворимости.

Задание 2.22. Расставьте коэффициенты в приведенных выше схемах реакций.

Задание 2.23. Составьте уравнения возможных реакций обмена:

Определите, какая из реакций не происходит и почему.

• Растворы щелочей, как и растворы кислот, изменяют окраску индикаторов. В растворе щелочи фиолетовый лакмус синеет, оранжевый метилоранж желтеет, бесцветный фенолфталеин краснеет.

Все изменения окрасок индикаторов можно свести в таблицу (табл. 4):

Окраска индикаторов в различных средах

Индикатор

Характер среды Кислая Нейтральная Щелочная Лакмуc Красный Фиолетовый Синий Метилоранж Красный Оранжевый Желтый Фенолфталеин Бесцветный Красный

Обратите внимание. Если к воде добавить кислоту, то среда раствора будет кислая, если добавить щелочь – среда щелочная, в чистой воде среда нейтральная.

В о п р о с 1. Можно ли при помощи фенолфталеина узнать, какая жидкость в стакане: вода, кислота НCl, раствор KОН? Можно ли для этого использовать раствор лакмуса?

В о п р о с 2. Почему реакцию между кислотой и щелочью называют реакцией нейтрализации?

Свойства и способы получения
нерастворимых в воде оснований

Среди нерастворимых в воде оснований следует выделить особую группу веществ – амфотерные гидроксиды. Их свойства будут рассмотрены ниже. Способы получения амфотерных оснований такие же, как и нерастворимых оснований.

Нерастворимые основания получают, действуя на раствор соли, в состав которой входит нужный атом металла, раствором щелочи:

CuSO₄ + 2NaOH = Cu(OH)₂ + Na₂SO₄.

Попробуем определить, какие вещества нужно взять для того, чтобы получить гидроксид марганца(II). До реакции составные части нерастворимого основания Mn(OH)₂ находились в составе растворимых веществ – соли марганца (например, MnCl₂) и щелочи (например, KOH):

Задание 2.24. Напишите уравнения реакций, при помощи которых можно получить:

а) гидроксид железа(III); б) гидроксид железа(II).

Свойства нерастворимых в воде оснований во многом отличаются от свойств щелочей. Нерастворимые в воде основания не реагируют с растворами солей, а также с амфотерными и некоторыми кислотными оксидами.

• Нерастворимые основания реагируют с кислотами. При этом происходит растворение исходного нерастворимого вещества (осадка). Например:

Таким образом, подобные реакции возможны, если образуется растворимая соль.

• Нерастворимые основания разлагаются при нагревании. При этом чем меньше активность металла (см. ряд напряжений), тем легче разлагается основание на оксид и воду:

Свойства амфотерных гидроксидов

Амфотерные гидроксиды соответствуют амфотерным оксидам. Это означает, что в состав амфотерного гидроксида входит тот же атом металла и с той же валентностью, что и в состав амфотерного оксида:

Амфотерные вещества проявляют двойственные свойства, они реагируют и с кислотами, и с щелочами (при этом амфотерные гидроксиды растворяются):

Если эта реакция происходит с растворами щелочей, то вместо вещества состава Na₃AlO₃ (или NaAlO₂) * образуется сложное комплексное соединение: Na₃[Al(OH)₆] или Na[Al(OH)₄].

Задание 2.25. Составьте уравнения реакций с кислотой и со щелочью следующих амфотерных гидроксидов: а) гидроксида цинка; б) гидроксида хрома(III).

Выводы по главе 2.3. Молекулы неорганических оснований содержат гидроксигруппы ОН.

Все неорганические основания, кроме NH₄OH, содержат атомы металлов.

Основания делят на растворимые в воде (щелочи) и нерастворимые.

Растворы щелочей реагируют с кислотами (реакция нейтрализации), с кислотными и амфотерными оксидами, с растворами солей. Щелочи обнаруживаются индикаторами в щелочной («синей») области. Нерастворимые в воде основания не изменяют окраску индикатора, могут реагировать с некоторыми кислотами и кислотными оксидами. Термически неустойчивы.

Соль – это продукт реакции между кислотой и основанием.

В состав любой соли входит остаток основания (атом металла или группа NH₄) и остаток кислоты (кислотный остаток). Например:

Задание 2.26. Для каждой из этих солей (см. выше) определите, где в ее молекуле остаток кислоты, а где – остаток основания. Определите валентности составных частей.

В состав некоторых солей входят атомы водорода или группы ОН. Такое различие подсказывает, что соли могут быть разных типов. Рассмотрим три вида солей.

Средние соли получаются, если кислота и основание полностью прореагировали:

Кислые соли получаются, если не все атомы водорода кислоты были замещены на атомы металла:

Кислотные остатки таких солей содержат атом водорода. Кислые соли могут проявлять некоторые свойства кислот. Например, они могут реагировать со щелочами:

Осно’вные соли образуются, если не все группы ОН основания замещаются на кислотный остаток:

Такие соли содержат гидроксигруппу ОН. Осно’вные соли могут проявлять некоторые свойства оснований. Например, они реагируют с кислотами:

Во многих примерах, которые иллюстрировали свойства оксидов, кислот и оснований, продуктами реакции были соли. Попробуем обобщить эти сведения и выяснить, в результате каких процессов можно получить соль заданного состава.

Способы получения солей

Способы получения солей можно условно разбить на две группы:

1-й с п о с о б – получение солей из веществ, которые не являются солями;

2-й с п о с о б – получение солей из других солей.

Реакции 1-го с п о с о б а основаны на том, что в реакцию вступают противоположные по свойствам вещества (рис. 4).

Рис. 4.
Генетическая связь между
неорганическими веществами разных классов

Приведем конкретные примеры:

1) металл + неметалл:

Fe + S FeS;

2) металл + кислота:

Fe + HCl FeCl₂ + H₂;

3) осно’вный оксид + кислотный оксид:

CaO + P₂O₅ Ca₃(PO₄)₂;

4) осно’вный оксид + кислота:

MgO + HNO₃ Mg(NO₃)₂ + H₂O;

5) основание + кислота:

NaOH + H₂SO₄ Na₂SO₄ + H₂O;

6) основание + кислотный оксид:

KOH + CO₂ K₂CO₃ + H₂O.

Задание 2.27. Расставьте коэффициенты в схемах реакций 1–6. Приведите свои примеры аналогичных реакций каждого типа.

Реакции 2-го с п о с о б а являются реакциями обмена или замещения. В каждой из таких реакций участвует соль, поэтому 2-й способ получения солей можно рассматривать как химические свойства солей.

• Более активный металл вытесняет менее активный из растворов его солей:

Обратный процесс не идет:

Активность металлов можно определять по ряду напряжений. Любой металл в этом ряду активнее всех металлов, стоящих правее него.

• Сильная кислота вытесняет более слабую кислоту из ее соли:

• Щелочь, реагируя с солью, образует новое основание и новую соль:

3KОН + АlС1₃ = А1(OH)₃ + 3KСl.

Такая реакция происходит, если оба исходных вещества растворимы, а хотя бы одно из полученных веществ нерастворимо.

• Соль, вступая в реакцию обмена с другой солью, образует две новые соли:

2AgNO₃ + BaCl₂ = Ba(NO₃)₂ + 2AgCl.

Эта реакция также происходит, если оба исходных вещества растворимы, а хотя бы одно из полученных веществ – нерастворимо.

невозможна, т.к. обе полученные соли растворимы.

СаСО₃ + NaCl (нет реакции)

невозможен потому, что СаСО₃ (мел) нерастворим в воде.

Названия солей происходят от латинских названий химических элементов, которые входят в состав кислотных остатков (исключая кислород):

Для солей одного элемента разного состава должны быть разные названия. Названия солей получают введением суффиксов:

для солей кислородсодержащих кислот —ит (меньшая валентность элемента)

Задание 2.28. Составьте названия солей, содержащих серу: K₂S, K₂SO₃, K₂SO₄.

(При правильной работе должно получиться:

Задание 2.29. Дополните табл. 5, составив химические формулы солей тех металлов, которые указаны в таблице.

Кислота	Соль	Название
HCl	Al…….	Хлорид
HBr	K…….	Бромид
HI	Ca…….	Йодид
H2S	Na…….	Сульфид
H2SO3	K…….	Сульфит
H2SO4	Al…….	Сульфат
HNO2	K…….	Нитрит
HNO3	Mg…….	Нитрат
H3PO4	Ca…….	Фосфат
H2CO3	K…….	Карбонат
H2SiO3	Na…….	Силикат

При составлении названий кислых солей используют частицу «гидро»: KНСО₃ – гидрокарбонат калия.

При составлении названий оснoвных солей используют частицу «гидроксо»: АlOНСl₂ – гидроксохлорид алюминия.

Задание 2.30. Назовите все соли, которые встречаются в тексте и уравнениях реакций этого раздела.

Задание 2.31. Составьте по три-четыре уравнения реакций получения:

а) бромида магния;

б) сульфата цинка.

Выводы по главе 2.4. Соли состоят из остатков веществ, которые проявляют противоположные свойства: кислотные и оснoвные, металлические и неметаллические.

Упражнения к главе 2

1. Классифицируйте и дайте химические названия известным веществам:

питьевая сода – NaHCO₃,

каустическая сода – NaOH,

мел, мрамор, известняк – CaCO₃,

калийная селитра – KNO₃,

угарный газ – CO,

негашеная известь – CaO,

гашеная известь, известковая вода – Ca(OH)₂,

углекислый газ – CO₂,

нашатырный спирт – NH₄OH,

Запомните химические формулы и обиходные названия этих веществ.

2. С какими из перечисленных веществ – гидроксид натрия, соляная кислота, вода, оксид кальция, гидроксид цинка, оксид серы(VI) – будут реагировать:

а) оксид алюминия; б) карбонат натрия;

в) оксид меди(II); г) азотная кислота?

Ответ представьте в виде таблицы. Напишите уравнения соответствующих реакций.

3. Напишите уравнения тех реакций, которые возможны:

оксид железа(III) + серная кислота … ,

углекислый газ + гидроксид бария … ,

оксид цинка + азотная кислота … ,

негашеная известь + гидроксид калия … ,

сернистый газ + соляная кислота … ,

оксид цинка + гидроксид калия … ,

оксид железа(II) + вода … ,

оксид бария + вода … .

Если процесс невозможен, поясните почему.

4. С какими из перечисленных ниже веществ будет реагировать раствор щелочи:

в) оксид алюминия;

г) фосфорная кислота;

д) гидроксид кальция;

е) гидроксид алюминия;

ж) силикат калия;

з) карбонат кальция;

Будет ли с этими же веществами реагировать гидроксид меди(II)? Составьте уравнения возможных реакций.

5. Как получить из:

б) железа – гидроксид железа(III);

в) меди – гидроксид меди(II);

г) серы – серную кислоту;

д) хлора – поваренную соль (двумя способами)?

6. Осуществите превращения:

а) фосфор … фосфорная кислота соль (назовите ее);

б) кальций негашеная известь гашеная известь соль (назовите ее);

в) уголь (углерод) углекислый газ угольная кислота карбонат натрия углекислый газ;

г) хлорид цинка гидроксид цинка нитрат цинка гидроксид цинка . ;

д) песок силикатный клей кремниевая кислота.

* Ортоалюминиевая кислота H₃AlO₃ теряет молекулу H₂O, и образуется метаалюминиевая кислота HAlO₂, в которой кислотный остаток AlO₂ имеет валентность I.

Источник