Страница 61 - гдз по химии 8 класс учебник Журин

МОИ ХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Изучение свойств нерастворимого гидроксида.

«ПОМОЩНИК»

В выданной вам пробирке под слоем воды находится нерастворимый гидроксид.

Взболтайте пробирку и отлейте половину жидкости в чистую пробирку.

К нерастворимому гидроксиду в первой пробирке добавляйте по каплям раствор азотной кислоты, встряхивая пробирку после добавления каждой капли.

К нерастворимому гидроксиду во второй пробирке добавляйте по каплям раствор гидроксида натрия, встряхивая пробирку после добавления каждой капли.

Данный эксперимент направлен на изучение химических свойств нерастворимых гидроксидов. Ключевым свойством, которое здесь исследуется, является амфотерность — способность вещества проявлять как основные, так и кислотные свойства, то есть реагировать и с кислотами, и со щелочами.

Поскольку в задании не указан конкретный нерастворимый гидроксид, для демонстрации эксперимента рассмотрим один из типичных амфотерных гидроксидов, например, гидроксид алюминия ($Al(OH)_3$) или гидроксид цинка ($Zn(OH)_2$). Возьмем в качестве примера гидроксид алюминия — это белый студенистый осадок, нерастворимый в воде.

Согласно инструкции, исходный осадок гидроксида разделяют на две пробирки для проведения двух разных реакций, которые должны выявить его химическую природу.

К нерастворимому гидроксиду в первой пробирке добавляйте по каплям раствор азотной кислоты, встряхивая пробирку после добавления каждой капли.

Решение

При добавлении раствора азотной кислоты ($HNO_3$) к гидроксиду алюминия ($Al(OH)_3$) происходит реакция нейтрализации. Гидроксид алюминия в данном случае проявляет свои основные свойства, реагируя с кислотой. В результате реакции образуется растворимая соль — нитрат алюминия ($Al(NO_3)_3$) и вода ($H_2O$). Визуально наблюдается постепенное растворение белого студенистого осадка до образования прозрачного раствора.

Уравнение реакции:

$Al(OH)_3 \downarrow + 3HNO_3 \rightarrow Al(NO_3)_3 + 3H_2O$

В ионном виде уравнение выглядит так:

$Al(OH)_3 \downarrow + 3H^+ \rightarrow Al^{3+} + 3H_2O$

Ответ: Осадок гидроксида растворится, так как он реагирует с азотной кислотой, образуя растворимую соль и воду. Это демонстрирует основные свойства гидроксида.

К нерастворимому гидроксиду во второй пробирке добавляйте по каплям раствор гидроксида натрия, встряхивая пробирку после добавления каждой капли.

Решение

При добавлении сильного основания (щелочи), такого как гидроксид натрия ($NaOH$), к гидроксиду алюминия, последний проявляет свои кислотные свойства. Происходит реакция с образованием комплексной соли — тетрагидроксоалюмината натрия ($Na[Al(OH)_4]$), которая хорошо растворима в воде. Визуально, как и в первом случае, наблюдается растворение белого осадка с образованием прозрачного раствора.

Уравнение реакции:

$Al(OH)_3 \downarrow + NaOH \rightarrow Na[Al(OH)_4]$

В ионном виде уравнение выглядит так:

$Al(OH)_3 \downarrow + OH^- \rightarrow [Al(OH)_4]^-$

Способность одного и того же гидроксида реагировать как с кислотами, так и с щелочами, называется амфотерностью.

Ответ: Осадок гидроксида растворится, так как он реагирует с раствором гидроксида натрия, образуя растворимую комплексную соль. Это демонстрирует кислотные свойства гидроксида и подтверждает его амфотерный характер.

Опишите способ получения нерастворимых гидроксидов металлов и неметаллов.

Получение нерастворимых гидроксидов металлов

Нерастворимые в воде гидроксиды металлов (нерастворимые основания) получают путем проведения реакции ионного обмена. Для этого необходимо смешать раствор растворимой соли соответствующего металла и раствор щёлочи (растворимого в воде основания). В результате реакции в осадок выпадает целевой нерастворимый гидроксид.

Общая схема реакции выглядит следующим образом:
Растворимая соль металла + Щёлочь $\rightarrow$ Нерастворимый гидроксид$\downarrow$ + Другая соль

Например, для получения гидроксида меди(II) $Cu(OH)_2$, который представляет собой осадок голубого цвета, к раствору сульфата меди(II) $CuSO_4$ приливают раствор гидроксида натрия $NaOH$:
$CuSO_4 + 2NaOH \rightarrow Cu(OH)_2\downarrow + Na_2SO_4$

Другой пример — получение гидроксида железа(III) $Fe(OH)_3$, осадка бурого цвета, при взаимодействии раствора хлорида железа(III) $FeCl_3$ с гидроксидом калия $KOH$:
$FeCl_3 + 3KOH \rightarrow Fe(OH)_3\downarrow + 3KCl$

Ответ: Нерастворимые гидроксиды металлов получают реакцией обмена между раствором соли данного металла и раствором щёлочи.

Получение нерастворимых гидроксидов неметаллов

Гидроксидами неметаллов являются кислородсодержащие кислоты. Нерастворимые в воде кислоты, как правило, являются слабыми. Их получают методом вытеснения из растворов их солей с помощью более сильной кислоты.

Общая схема реакции:
Соль слабой кислоты + Сильная кислота $\rightarrow$ Слабая нерастворимая кислота$\downarrow$ + Другая соль

Наиболее известный пример — получение кремниевой кислоты $H_2SiO_3$. Это студенистое вещество, нерастворимое в воде. Её получают, действуя на раствор силиката (например, силиката натрия $Na_2SiO_3$) сильной кислотой (например, соляной $HCl$ или серной $H_2SO_4$):
$Na_2SiO_3 + 2HCl \rightarrow H_2SiO_3\downarrow + 2NaCl$
или
$Na_2SiO_3 + H_2SO_4 \rightarrow H_2SiO_3\downarrow + Na_2SO_4$

Ответ: Нерастворимые гидроксиды неметаллов (нерастворимые кислоты) получают действием более сильных кислот на растворы солей, образованных этими нерастворимыми кислотами.

• Как определить кислотно-основный характер нерастворимого гидроксида?

Кислотно-основный характер нерастворимого гидроксида определяется его способностью вступать в химические реакции с кислотами и/или щелочами. Поскольку гидроксид нерастворим, его характер устанавливают экспериментально, исследуя его взаимодействие с сильными кислотами и сильными основаниями (щелочами).

Экспериментальный подход

Для определения характера нерастворимого гидроксида в две пробирки помещают его образцы. В одну добавляют раствор сильной кислоты (например, соляной $HCl$ или серной $H_2SO_4$), а в другую — раствор сильной щелочи (например, гидроксида натрия $NaOH$). Признаком химической реакции служит растворение осадка.

1. Основный характер

Гидроксид проявляет основные свойства, если он реагирует с кислотой, но не реагирует со щелочью. Такие гидроксиды называют основаниями. Например, гидроксид железа(II) $Fe(OH)_2$ растворяется в кислоте:

$Fe(OH)_2(тв) + 2HCl(р-р) \rightarrow FeCl_2(р-р) + 2H_2O(ж)$

При добавлении щелочи к $Fe(OH)_2$ реакция не происходит.

2. Кислотный характер

Гидроксид проявляет кислотные свойства, если он реагирует со щелочью, но не реагирует с кислотой. Примером может служить кремниевая кислота $H_2SiO_3$, которая является нерастворимой и вступает в реакцию со щелочью:

$H_2SiO_3(тв) + 2NaOH(р-р) \rightarrow Na_2SiO_3(р-р) + 2H_2O(ж)$

При добавлении кислоты к $H_2SiO_3$ реакция не происходит.

3. Амфотерный характер

Гидроксид является амфотерным, если он способен реагировать и с сильными кислотами, и с сильными щелочами. Например, гидроксид алюминия $Al(OH)_3$ растворяется в обоих случаях.

Реакция с кислотой (проявляет основные свойства):

$Al(OH)_3(тв) + 3HCl(р-р) \rightarrow AlCl_3(р-р) + 3H_2O(ж)$

Реакция со щелочью (проявляет кислотные свойства):

$Al(OH)_3(тв) + NaOH(р-р) \rightarrow Na[Al(OH)_4](р-р)$

В обеих реакциях наблюдается растворение осадка.

Теоретический подход

Характер гидроксида также можно спрогнозировать, основываясь на положении элемента, образующего гидроксид, в Периодической системе и его степени окисления. Чем активнее металл (левее и ниже в таблице), тем более выражены основные свойства его гидроксида. Для одного и того же элемента с увеличением его степени окисления кислотные свойства гидроксида усиливаются (например, $Cr(OH)_2$ – основной, $Cr(OH)_3$ – амфотерный, а гидроксид, соответствующий оксиду $CrO_3$, является сильной кислотой $H_2CrO_4$).

Ответ: Для определения кислотно-основного характера нерастворимого гидроксида нужно проверить его способность реагировать с сильной кислотой и сильной щелочью. Если вещество реагирует с кислотой, но не со щелочью, оно имеет основной характер. Если реагирует со щелочью, но не с кислотой, – кислотный характер. Если реагирует и с кислотой, и со щелочью, – амфотерный характер. Признаком реакции является растворение нерастворимого гидроксида.

Как называются гидроксиды, обладающие свойствами и кислоты, и основания?

Гидроксиды, которые обладают свойствами и кислот, и оснований, называются амфотерными гидроксидами.

Амфотерность (от греческого слова ἀμφότεροι — «и тот и другой») — это способность некоторых химических соединений проявлять в зависимости от условий либо кислотные, либо основные свойства. Амфотерные гидроксиды являются ярким примером таких соединений.

1. При взаимодействии с кислотами они ведут себя как типичные основания, образуя соль и воду. В этом случае происходит диссоциация по типу основания:

$Me(OH)_n \rightleftharpoons Me^{n+} + nOH^-$

Например, реакция гидроксида алюминия ($Al(OH)_3$) с соляной кислотой ($HCl$):

$Al(OH)_3 + 3HCl \rightarrow AlCl_3 + 3H_2O$

Здесь гидроксид алюминия нейтрализует кислоту.

2. При взаимодействии с сильными основаниями (щелочами) они ведут себя как кислоты. В водном растворе они образуют комплексные соли (гидроксокомплексы). В этом случае происходит диссоциация по типу кислоты:

$H_nMeO_n \rightleftharpoons nH^+ + MeO_n^{n-}$ (упрощенно, в реальности образуется гидроксокомплекс)

Например, реакция гидроксида алюминия ($Al(OH)_3$) с гидроксидом натрия ($NaOH$):

$Al(OH)_3 + NaOH \rightarrow Na[Al(OH)_4]$

Здесь гидроксид алюминия выступает в роли кислоты, образуя комплексную соль — тетрагидроксоалюминат натрия.

Наиболее известные амфотерные гидроксиды образуются металлами в степенях окисления +2, +3, +4. Примеры:

• $Zn(OH)_2$ — гидроксид цинка
• $Be(OH)_2$ — гидроксид бериллия
• $Al(OH)_3$ — гидроксид алюминия
• $Cr(OH)_3$ — гидроксид хрома(III)
• $Pb(OH)_2$ — гидроксид свинца(II)
• $Sn(OH)_2$ — гидроксид олова(II)

Таким образом, амфотерные гидроксиды занимают промежуточное положение между основными и кислотными гидроксидами, проявляя двойственность химических свойств.

Ответ: Амфотерные гидроксиды.