Страница 107 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян, Остроумов

Лабораторный опыт 21

Получите нерастворимый гидроксид меди(II) реакцией обмена. Для этого в пробирку с 1 мл раствора сульфата меди(II) добавьте 2 мл раствора щёлочи. Пробирку с осадком гидроксида меди(II) закрепите в держателе или лапке штатива и нагрейте. Что наблюдаете? Запишите уравнение реакции.

Этот лабораторный опыт включает в себя две химические реакции, которые сопровождаются характерными визуальными изменениями.

В ходе эксперимента наблюдаются следующие явления:

1. На первом этапе, при добавлении бесцветного раствора щёлочи (например, гидроксида натрия) к голубому раствору сульфата меди(II), происходит образование нерастворимого вещества. Визуально это выглядит как выпадение объёмного студенистого (желеобразного) осадка ярко-голубого цвета. Это и есть гидроксид меди(II).

2. На втором этапе, при нагревании пробирки с полученным осадком, наблюдается изменение его цвета. Ярко-голубой осадок гидроксида меди(II) постепенно темнеет и в итоге превращается в порошкообразное вещество чёрного цвета. Это образуется оксид меди(II) в результате термического разложения гидроксида.

Ответ: При смешивании растворов выпадает ярко-голубой студенистый осадок. При последующем нагревании этот осадок становится чёрным.

В эксперименте протекают две последовательные химические реакции.

1. Реакция получения гидроксида меди(II) — это реакция ионного обмена между солью (сульфатом меди(II)) и щёлочью (в качестве примера возьмём гидроксид натрия, $NaOH$).

Молекулярное уравнение:

$CuSO_4 + 2NaOH \rightarrow Cu(OH)_2\downarrow + Na_2SO_4$

2. Реакция разложения гидроксида меди(II) при нагревании. Нерастворимые основания (кроме гидроксидов щелочных и щелочноземельных металлов) при нагревании разлагаются на соответствующий оксид и воду.

Уравнение реакции разложения:

$Cu(OH)_2 \xrightarrow{t} CuO + H_2O$

Ответ:

$CuSO_4 + 2NaOH \rightarrow Cu(OH)_2\downarrow + Na_2SO_4$

$Cu(OH)_2 \xrightarrow{t} CuO + H_2O$

1. Дайте определение оснований, предложите классификацию по двум признакам и способ образования названий.

Определение оснований

Основания (или гидроксиды) — это сложные вещества, которые с точки зрения теории электролитической диссоциации состоят из катионов металла (или катиона аммония $NH_4^+$) и одного или нескольких гидроксид-анионов ($OH^−$). Общая формула оснований — $M(OH)_n$, где $M$ — это металл или катион аммония, а $n$ — его степень окисления, равная числу гидроксогрупп.

При диссоциации в водных растворах основания образуют катионы металла (или аммония) и гидроксид-анионы. Именно наличие свободных ионов $OH^−$ в растворе определяет характерные химические свойства оснований.

Пример диссоциации гидроксида натрия: $NaOH \rightleftharpoons Na^+ + OH^-$.
Пример диссоциации гидроксида кальция: $Ca(OH)_2 \rightleftharpoons Ca^{2+} + 2OH^-$.

Ответ: Основания — это сложные вещества, состоящие из катионов металла или аммония и связанных с ними гидроксид-анионов ($OH^−$), которые при диссоциации в воде образуют эти гидроксид-анионы.

Классификация оснований по двум признакам

Основания можно классифицировать по разным признакам, наиболее распространенными из которых являются растворимость в воде и сила (степень диссоциации).

1. Классификация по растворимости в воде:
• Растворимые (щёлочи): Это гидроксиды щелочных металлов (IА группа, например, $LiOH$, $NaOH$, $KOH$) и щёлочноземельных металлов (IIA группа, начиная с кальция, например, $Ca(OH)_2$, $Sr(OH)_2$, $Ba(OH)_2$). Щёлочи являются сильными электролитами (кроме гидроксида аммония).
• Нерастворимые: Это гидроксиды большинства остальных металлов, например, $Cu(OH)_2$, $Fe(OH)_3$, $Mg(OH)_2$. Они являются слабыми электролитами. К нерастворимым основаниям также относят амфотерные гидроксиды (например, $Zn(OH)_2$, $Al(OH)_3$), которые в зависимости от условий могут проявлять как основные, так и кислотные свойства.

2. Классификация по силе (степени электролитической диссоциации):
• Сильные основания (щёлочи): Практически полностью диссоциируют на ионы в водных растворах. К ним относятся гидроксиды щелочных и щёлочноземельных металлов. Например, $KOH \rightarrow K^+ + OH^-$.
• Слабые основания: Диссоциируют в растворах лишь частично. К ним относятся все нерастворимые основания и гидрат аммиака ($NH_3 \cdot H_2O$, условная формула $NH_4OH$). Например, $Fe(OH)_2 \rightleftharpoons Fe^{2+} + 2OH^-$.

Ответ: Основания классифицируют по двум основным признакам: по растворимости в воде (растворимые/щёлочи и нерастворимые) и по силе (сильные, которые полностью диссоциируют, и слабые, которые диссоциируют частично).

Способ образования названий

Названия оснований строятся по систематической номенклатуре следующим образом:
1. Название начинается со слова "гидроксид".
2. Далее следует название химического элемента (металла) в родительном падеже.
3. Если металл может проявлять несколько степеней окисления (имеет переменную валентность), то после его названия в скобках римскими цифрами указывается его степень окисления в данном соединении. Для металлов с постоянной степенью окисления (например, щелочных и щёлочноземельных) указывать её не требуется.

Примеры:
• $NaOH$ — гидроксид натрия (у натрия постоянная степень окисления +1).
• $Ca(OH)_2$ — гидроксид кальция (у кальция постоянная степень окисления +2).
• $CuOH$ — гидроксид меди(I) (медь проявляет степени окисления +1 и +2).
• $Cu(OH)_2$ — гидроксид меди(II).
• $Fe(OH)_3$ — гидроксид железа(III) (железо проявляет степени окисления +2 и +3).
• $NH_4OH$ — гидроксид аммония (название образовано от катиона аммония $NH_4^+$).

Ответ: Название основания образуется из слова "гидроксид" и названия металла в родительном падеже, с указанием его степени окисления римскими цифрами в скобках, если она переменная. Например, $Fe(OH)_2$ — гидроксид железа(II).

2. Перечислите химические свойства щелочей, укажите условия протекания реакций.

Щелочи — это растворимые в воде основания. К ним относят гидроксиды щелочных металлов (например, $LiOH$, $NaOH$, $KOH$) и некоторых щелочноземельных металлов ($Ca(OH)_2$, $Sr(OH)_2$, $Ba(OH)_2$). Щелочи являются сильными электролитами и в водных растворах практически нацело диссоциируют на катион металла и гидроксид-анион $OH^-$, который и определяет их общие химические свойства.

1. Действие на индикаторы

В водных растворах щелочи создают сильнощелочную среду ($pH > 7$), что приводит к изменению окраски кислотно-основных индикаторов.
Условия: наличие воды, то есть реакция происходит в водном растворе.
Примеры изменения окраски:

• Лакмус — синеет.
• Фенолфталеин — становится малиновым.
• Метиловый оранжевый (метилоранж) — становится желтым.

Ответ: В водных растворах щелочи изменяют цвет индикаторов: лакмус становится синим, фенолфталеин — малиновым, а метилоранж — желтым.

2. Взаимодействие с кислотами (реакция нейтрализации)

Щелочи реагируют со всеми кислотами, образуя соль и воду. Это классическая реакция нейтрализации, которая протекает с выделением тепла (экзотермическая).
Общая схема: Щелочь + Кислота → Соль + Вода.
Условия: смешивание растворов щелочи и кислоты. Реакция идет практически всегда.
Примеры:
$NaOH + HCl \rightarrow NaCl + H_2O$
$Ba(OH)_2 + H_2SO_4 \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2H_2O$

Ответ: Щелочи вступают в реакцию нейтрализации с кислотами с образованием соли и воды.

3. Взаимодействие с кислотными оксидами

Щелочи реагируют с оксидами неметаллов (кислотными оксидами), образуя соль и воду.
Общая схема: Щелочь + Кислотный оксид → Соль + Вода.
Условия: пропускание газообразного кислотного оксида через раствор щелочи или добавление жидкого/твердого оксида к раствору щелочи.
Примеры:
$2KOH + CO_2 \rightarrow K_2CO_3 + H_2O$
$Ca(OH)_2 + SO_2 \rightarrow CaSO_3\downarrow + H_2O$

Ответ: Щелочи взаимодействуют с кислотными оксидами, образуя соль и воду.

4. Взаимодействие с амфотерными оксидами и гидроксидами

Щелочи реагируют с амфотерными оксидами ($Al_2O_3$, $ZnO$, $BeO$) и гидроксидами ($Al(OH)_3$, $Zn(OH)_2$, $Be(OH)_2$). Продукты реакции зависят от условий.
Условия и примеры:
а) В концентрированном водном растворе образуются растворимые комплексные соли (гидроксокомплексы).
$2NaOH(конц.) + Zn(OH)_2 \rightarrow Na_2[Zn(OH)_4]$ (тетрагидроксоцинкат натрия)
$Al_2O_3 + 2KOH(конц.) + 3H_2O \rightarrow 2K[Al(OH)_4]$ (тетрагидроксоалюминат калия)
б) При сплавлении (высокая температура, отсутствие воды) образуются соли (например, мета- или ортоалюминаты, цинкаты) и вода.
$2NaOH + ZnO \xrightarrow{t} Na_2ZnO_2 + H_2O$ (цинкат натрия)
$2KOH + Al_2O_3 \xrightarrow{t} 2KAlO_2 + H_2O$ (метаалюминат калия)

Ответ: Щелочи реагируют с амфотерными оксидами и гидроксидами: в растворах образуются гидроксокомплексы, при сплавлении — соли (цинкаты, алюминаты и др.) и вода.

5. Взаимодействие с растворами солей

Щелочи вступают в реакции ионного обмена с растворимыми солями, если в результате образуется нерастворимое основание, нерастворимая соль или выделяется газ.
Условия: оба исходных реагента должны быть растворимы в воде, а в продуктах должен быть осадок ($\downarrow$) или газ ($\uparrow$).
Примеры:
$2NaOH + CuSO_4 \rightarrow Cu(OH)_2\downarrow + Na_2SO_4$ (образуется нерастворимое основание)
$Ba(OH)_2 + K_2SO_4 \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2KOH$ (образуется нерастворимая соль)
$KOH + NH_4Cl \xrightarrow{t} KCl + NH_3\uparrow + H_2O$ (выделяется газообразный аммиак)

Ответ: Щелочи реагируют с растворимыми солями, если один из продуктов реакции выпадает в осадок или выделяется в виде газа.

6. Взаимодействие с некоторыми неметаллами

Концентрированные растворы щелочей при нагревании реагируют с некоторыми неметаллами: галогенами, серой, кремнием, белым фосфором. Как правило, это реакции диспропорционирования, в которых неметалл одновременно и окисляется, и восстанавливается.
Условия и примеры:
а) С галогенами (продукты зависят от температуры):
На холоде: $Cl_2 + 2NaOH(хол.) \rightarrow NaCl + NaClO + H_2O$
При нагревании: $3Br_2 + 6KOH(гор.) \rightarrow 5KBr + KBrO_3 + 3H_2O$
б) С серой (при нагревании):
$3S + 6NaOH(конц.) \xrightarrow{t} 2Na_2S + Na_2SO_3 + 3H_2O$
в) С кремнием:
$Si + 2KOH + H_2O \rightarrow K_2SiO_3 + 2H_2\uparrow$
г) С белым фосфором:
$P_4 + 3NaOH + 3H_2O \rightarrow PH_3\uparrow + 3NaH_2PO_2$

Ответ: Щелочи (обычно концентрированные и при нагревании) реагируют с некоторыми неметаллами, такими как галогены, сера, кремний, фосфор.

7. Взаимодействие с амфотерными металлами

Растворы щелочей реагируют с металлами, оксиды и гидроксиды которых амфотерны (Al, Zn, Be).
Условия: реакция идет в водном растворе, часто ускоряется при нагревании.
Примеры:
$2Al + 2NaOH + 6H_2O \rightarrow 2Na[Al(OH)_4] + 3H_2\uparrow$
$Zn + 2KOH(конц.) + 2H_2O \rightarrow K_2[Zn(OH)_4] + H_2\uparrow$

Ответ: Щелочи взаимодействуют с амфотерными металлами (алюминий, цинк, бериллий) с образованием комплексной соли и выделением водорода.

3. Сравните свойства щелочей и нерастворимых оснований.

Решение

Основания — это класс химических соединений, которые по их способности растворяться в воде делятся на две основные группы: растворимые основания (щелочи) и нерастворимые основания. Это ключевое физическое свойство определяет значительные различия в их химическом поведении.

Общие свойства

Единственным характерным общим химическим свойством для всех оснований, как растворимых, так и нерастворимых, является их способность вступать в реакцию нейтрализации с кислотами. В результате этой реакции образуются соль и вода.

• Пример для щелочи: $2NaOH + H_2SO_4 \rightarrow Na_2SO_4 + 2H_2O$
• Пример для нерастворимого основания: $Cu(OH)_2 + 2HNO_3 \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2H_2O$

Отличительные свойства

1. Растворимость и электролитическая диссоциация

Щелочи (гидроксиды щелочных и щёлочноземельных металлов, например, $NaOH, KOH, Ba(OH)_2$) хорошо растворимы в воде. В водном растворе они являются сильными электролитами, то есть практически полностью диссоциируют на катион металла и гидроксид-анион $OH^-$.

$NaOH \leftrightarrow Na^+ + OH^-$

Нерастворимые основания (гидроксиды большинства других металлов, например, $Fe(OH)_3, Cu(OH)_2$) не растворяются или очень плохо растворяются в воде. По этой причине они не диссоциируют на ионы и являются неэлектролитами или очень слабыми электролитами.

2. Действие на индикаторы

Щелочи, создавая в растворе высокую концентрацию гидроксид-ионов $OH^-$, формируют сильнощелочную среду. Это приводит к изменению окраски химических индикаторов:

• Лакмус становится синим.
• Фенолфталеин становится малиновым.
• Метиловый оранжевый становится желтым.

Нерастворимые основания не создают в воде ионов $OH^-$, поэтому они не влияют на окраску индикаторов.

3. Взаимодействие с кислотными оксидами

Щелочи активно реагируют с кислотными оксидами, образуя соль и воду.

Пример: $Ca(OH)_2 + SO_2 \rightarrow CaSO_3 + H_2O$

Нерастворимые основания в реакции с кислотными оксидами, как правило, не вступают.

4. Взаимодействие с растворами солей

Щелочи вступают в реакции ионного обмена с растворами солей, если в результате образуется нерастворимое вещество (выпадает осадок) или выделяется газ.

Пример: $2KOH + FeCl_2 \rightarrow Fe(OH)_2\downarrow + 2KCl$

Нерастворимые основания в такие реакции не вступают.

5. Термическое разложение

Щелочи, образованные щелочными металлами (например, $NaOH, KOH$), очень устойчивы к нагреванию и плавятся без разложения. Гидроксиды щёлочноземельных металлов (например, $Ca(OH)_2$) разлагаются, но при очень высоких температурах (свыше 500-800°C).

Нерастворимые основания являются термически неустойчивыми и при сравнительно слабом нагревании легко разлагаются на соответствующий оксид металла и воду.

Пример: $2Fe(OH)_3 \xrightarrow{t^\circ} Fe_2O_3 + 3H_2O$

$Cu(OH)_2 \xrightarrow{t^\circ} CuO + H_2O$

Ответ:

Щелочи и нерастворимые основания имеют одно общее свойство — они реагируют с кислотами с образованием соли и воды. Основные различия заключаются в следующем: щелочи, в отличие от нерастворимых оснований, растворимы в воде, являются сильными электролитами, изменяют цвет индикаторов, вступают в реакции с кислотными оксидами и растворами солей, а также обладают значительно большей термической устойчивостью. Нерастворимые основания этими свойствами не обладают, но при нагревании легко разлагаются.