Реакции ионного обмена. Условия их необратимости

В растворах электролитов реакции протекают между ионами.

Реакции ионного обмена — окислительно-восстановительная реакция, которая идет в направлении связывания ионов, но при которой не происходит изменения степеней окисления.

Условия течения реакций в растворах электролитов до конца:

1) в результате реакции выпадает осадок:

2) в результате реакции выделяется газ:

3) в результате реакции образуется малодиссоциирующее вещество:

Ионный обмен – это процесс, в результате которого ионы, находящиеся в твердой фазе. обмениваются с ионами, находящимися в растворе. Нерастворимое твердое вещество может представлять собой какой-либо природный материал либо синтетическую смолу. Природные материалы, используемые для ионного обмена, включают цеолиты (комплексные алюмосиликаты натрия) и глауконитовый песок.

На поверхности этих твердых веществ имеются электрически заряженные центры, расположенные на более или менее регулярном расстоянии друг от друга. Эти центры удерживают на себе простые ионы с зарядами противоположного знака. Именно эти ионы обмениваются с другими ионами, содержащимися в растворе.

Катионообменники. Катионообменные материалы состоят из трех частей:

1) основная масса, или скелет, обычно обозначаемый символом R–;

2) активные центры (такие группы, как — либо — );

3) катионы, подлежащие обмену (обычно это ионы Н⁺ или Н₃О⁺).

Когда твердый катионообменник приходит в соприкосновение с раствором, в котором содержатся какие-либо ионы, между ними устанавливается равновесие. Например,

Если первоначально раствор содержит, например, хлорид натрия, то ионы натрия обмениваются с ионами водорода и из нижней части колонки вытекает разбавленный раствор соляной кислоты.

Ионообменный материал можно регенерировать (восстанавливать), промывая колонку разбавленной соляной кислотой. Это приводит к смещению влево рассматриваемого равновесия, в результате чего ионы натрия замещаются ионами водорода.

Анионообменники. Анионообменник удаляет из раствора анионы. Типичным примером анионного обмена является следующее равновесие:

Для регенерации анионообменника может использоваться какое-либо основание, например раствор гидроксида натрия. Это сдвигает указанное равновесие влево.

1. Если образуется осадок (¯) (смотри таблицу растворимости)

Pb(NO₃)₂ + 2KI ® PbI₂¯ + 2KNO₃

Pb²⁺ + 2I^- ® PbI₂¯

2. Если выделяется газ ()

Na₂CO₃ + H₂SO₄ ® Na₂SO₄ + H₂O + CO₂

CO₃^2- + 2H⁺ ® H₂O + CO₂

3. Если образуется малодиссоциированное вещество (H₂O)

Ca(OH)₂ + 2HNO₃ ® Ca(NO₃)₂ + 2H₂O

H⁺ + OH^- ® H₂O

4. Если образуются комплексные соединения (малодиссоциированные комплексные ионы)

CuSO₄ • 5H₂O + 4NH₃ ® [Cu(NH₃)₄]SO₄ + 5H₂O

Cu²⁺ + 4NH₃ ® [Cu(NH₃)₄]²⁺

В тех случаях, когда нет ионов, которые могут связываться между собой с образованием осадка, газа, малодиссоциированных соединений (H₂O) или комплексных ионов реакции обмена обратимы «.

ВОПРОС №32

Важнейшие классы неорганических соединений

К важнейшим классам неорганических соединений относятся оксиды, кислоты, основания и соли.

Оксиды — это сложные вещества, состоящие из двух видов химических элементов, одним из которых является кислород. Оксиды делятся на кислотные (в основном оксиды неметаллов) и основные (оксиды многих металлов). Кислотные оксиды реагируют с щелочами, в результате чего образуется соль. Соли также образуются в результате взаимодействия основного оксида с кислотой.

Основания — это сложные вещества, состоящие из атомов металла и гидроксогрупп (OH). Гидроксогруппа имеет валентность I, поэтому их количество в основании определяется валентностью металла. Например, NaOH — здесь одна гидроксогруппа, так как валентность натрия I. Ca(OH)₂ — здесь валентность металла равна II, следовательно, к нему присоединяются две гидроксогруппы.

Основания, которые растворяются в воде, называются щелочами. Их можно получить при взаимодействии металла или его оксида с водой. Щелочи образуют наиболее активные металлы.

Все основания реагируют с кислотами с образованием соли и воды. Эта реакция называется реакцией нейтрализации.

Кислоты — это сложные вещества, состоящие из атомов водорода, которые могут замещаться на металл, и кислотных остатков. Кислотные остатки большинства кислот содержат атомы кислорода и другого какого-либо неметалла. Например, H₂SO₄, HNO₃, H₃PO₄, H₂CO₃. Однако есть бескислородные кислоты — HCl, H₂S, HBr.

Соли — это сложные вещества, состоящие из атомов металлов и кислотных остатков. Например, NaCl, CaCl₂, K₂SO₄, CuSO₄ и т. д. Соли можно рассматривать как результат замещения атомов водорода в кислоте на металл. Соли вступают в реакции обмена с другими солями, растворами кислот и щелочей. Более активный металл вытесняет из соли менее активный.

Из одних классов веществ в результате химических взаимодействий можно получать другие классы. Таким образом, говорят, что классы химических соединений генетически взаимосвязаны между собой.

В химии все многообразие неорганических веществ: принято разделять на две группы – простые и сложные. Простые вещества подразделяются на металлы и неметаллы. А сложные – на производные от простых, образованные путем их взаимодействия с кислородом, водой и между собой. Эту классификацию неорганических веществ в виде схемы изображают следующим образом:

Рис. 2.1. Классификация неорганических соединений.

Классификация реакций в неорганической химии. В неорганической химии различают реакции: 1)соединения, 2)разложения (и те и другие могут быть окислительно-восстановительными реакциями, а могут и не быть таковыми), 3)обмена, 4)замещения, которые всегда являются окислительно-восстановительными. Схемы реакций и примеры даны в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Классификация реакций

Тип реакции	Схема реакции	Примеры реакций
Соединение	А +В = АВ	1) Ca⁰ + Cl₂⁰= Ca²⁺Cl₂^- (ОВР) 2) CaO + CO₂ = CaCO₃
Разложение	АВ = А + В	1) 2Ag₂O = 4Ag +O₂ (ОВР) 2) Cu(OH)₂ = CuO + H₂O
Обмен	AB +CD=AD + CB	BaCl₂ + Na₂SO₄ = BaSO₄↓ +2NaCl
Замещение	AB + C = CB + A	Zn + Pb(NO₃)₂ = Pb + Zn(NO₃)₂ (ОВР)

Рассмотрим получение и свойства наиболее важных классов неорганических соединений.

ОКСИДЫ (окислы) - сложные вещества, состоящие из двух элементов, одним из которых является кислород в степени окисления, равной -2. Общая формула любого оксида - Э_хО_у^-2. Различают солеобразующие (основные: Li₂O, CaO, MgO ,FeO; амфотерные: ZnO, Al₂O₃, SnO₂, Cr₂O₃, Fe₂O₃; кислотные: B₂O₃ , SO₃ , CO₂, P₂O₅ Mn₂O₇) и несолеобразующие: N₂O, NO, CO оксиды. Элементы с переменной степенью окисления образуют несколько оксидов (MnO, MnO₂, Mn₂O₇, NO, N₂O₃, NO₂, N₂O₅). В высшем оксиде, как правило, элемент находится в степени окисления, равной номеру группы.

По современной международной номенклатуре названия оксидов составляют следующим образом: слово «оксид», далее русское название элемента в родительном падеже, степень окисления элемента (если она переменна). Например: FeO – оксид железа (II), P₂O₅ – оксид фосфора (V).

Основные оксиды это те, которым соответствуют гидроксиды – основания. Основными называют оксиды, взаимодействующие с кислотами с образованием соли и воды. Основные оксиды образуются только металлами в степени окисления +1,+2 (иногда +3), например: BaO, SrO, FeO, MnO, CrO, Li₂O, Bi₂O₃, Ag₂O.

Получение основных оксидов:

1) Окисление металлов при нагревании в атмосфере кислорода:

2Mg+O₂=2MgO;

2Cu+O₂=2CuO.

Свойства основных оксидов. Большинство основных оксидов представляет собой твердые кристаллические вещества ионного характера; в узлах кристаллической решетки расположены ионы металлов, достаточно прочно связанные с ионами O^2-, поэтому оксиды типичных металлов обладают высокими температурами плавления и кипения.

Отметим одну характерную для оксидов особенность. Близость ионных радиусов многих ионов металлов приводит к тому, что в кристаллической решетке оксидов часть ионов одного металла может быть заменена на ионы другого металла. Это приводит к тому, что для оксидов часто не выполняется закон постоянства состава, и могут существовать смешанные оксиды переменного состава.

Кислотные оксиды - оксиды, которые при взаимодействии с основаниями образуют соль и воду. Кислотным оксидам соответствуют гидроксиды – кислоты. Кислотные оксиды – это оксиды неметаллов в различных степенях окисления, либо оксиды металлов в высокой степени окисления (+4 и выше). Примеры: SO₂, SO₃, Cl₂O₇, Mn₂O₇, CrO₃.

Химическая связь в кислотных оксидах – ковалентная полярная. При обычных условиях кислотные оксиды неметаллов могут быть газообразными (CO₂, SO₂), жидкими (N₂O₃, Cl₂O₇), твердыми (P₂O₅, SiO₂).

Получение кислотных оксидов.

1) Окисление неметаллов:

S+O₂=SO₂

2) Окисление сульфидов:

2ZnS+3O₂=2ZnO+2SO₂

Амфотерные оксиды взаимодействуют и с кислотами и со щелочами, проявляя свойства кислотных и основных оксидов. Им соответствуют амфотерные гидроксиды. Все они твердые вещества, нерастворимые в воде. Примеры амфотерных оксидов: ZnO, BeO, SnO, PbO, Al₂O₃, Cr₂O₃, Sb₂O₃, MnO₂.

Свойства амфотерных оксидов.

Амфотерные оксиды реагируют с кислотами как основные:

Al₂O₃+6HCl=2AlCl₃+3H₂O,

а со щелочами – как кислотные. Состав продуктов реакции зависит от условий. При сплавлении:

ZnO+2NaOH=Na₂ZnO₂+H₂O;

Цинкат натрия

В растворе щелочи образуется растворимая комплексная соль, содержащая гидроксокомплексный ион:

ZnO+2NaOH+H₂O=Na₂[Zn(OH)₄]

Тетрагидроксоцинкат натрия

Несолеобразующие оксиды – это оксиды неметаллов, которым не соответствуют гидроксиды и соли. Примеры: CO, N₂O, NO, SiO.

Оксиды широко распространены в природе. Так вода – самый распространенный оксид покрывает 71% поверхности планеты. Оксид кремния (IV) в виде 400 разновидностей кварца составляет 12% от массы земной коры. Оксид углерода (IV) (углекислый газ) содержится в атмосфере - 0,03% по объему, а также в природных водах. Важнейшие руды: гематит, магнетит, бурый железняк состоят из различных оксидов железа. Бокситы содержат оксид алюминия, и т.д.

ОСНОВАНИЯ – сложные вещества, в которых на атом металла приходится одна или несколько гидроксогрупп ОН^-. Степень окисления атомов металла обычно +1, +2 (реже +3). Общая формула оснований Ме(ОН)_х, где х – число гидроксогрупп – кислотность основания. (МеОН – однокислотное, Ме(ОН)₂ – двухкислотное , Ме(ОН)₃ – трехкислотное основание).

Названия основаниям дают следующим образом: «гидроксид», затем русское название металла в родительном падеже, а в скобках римскими цифрами – степень окисления, если она переменная. Например: KOH –гидроксид калия, Ni(OH)₂ – гидроксид никеля(II).

При обычных условиях основания – твердые вещества, кроме гидроксида аммония – водного раствора аммиака NH₄OH (NH₄⁺ - ион аммония, входящий в состав солей аммония).

Классификация оснований. В зависимости от отношения к воде основания делятся на растворимые (щелочи) и нерастворимые. К растворимым основаниям - щелочам относятся только гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов (LiOH, NaOH, KOH, CsOH, RbOH, FrOH, Ca(OH)₂, Sr(OH)₂, Ba(OH)₂, Ra(OH)₂) а также водный раствор аммиака. Все остальные основания практически нерастворимы в воде.

С точки зрения теории электролитической диссоциации основания – электролиты, диссоциирующие в водном растворе с образованием в качестве анионов только гидроксид-ионов:

Ме(ОН)_х Û Ме^х+ + хОН^-.

Наличие в растворе ионов гидроксида определяют с помощью индикаторов: лакмуса (синий), фенолфталеина (малиновый), метилоранжа (желтый). Нерастворимые основания не меняют окраски индикаторов.

ВОПРОС №33

Классификации:

Все неорганические соединения делятся на две большие группы:

Простые вещества — состоят из атомов одного элемента;
Сложные вещества — состоят из атомов двух или более элементов.

Простые вещества по химическим свойствам делятся на:

металлы
неметаллы
амфотерные простые вещества
благородные газы

Сложные вещества по химическим свойствам делятся на:

оксиды:

осно́вные оксиды
кислотные оксиды
амфотерные оксиды
двойные оксиды
несолеобразующие оксиды

Гидроксиды;

основания
кислоты
амфотерные гидроксиды

соли:

средние соли
кислые соли
осно́вные соли
двойные и/или комплексные соли

бинарные соединения:

бескислородные кислоты
бескислородные соли
прочие бинарные соединения

Неорганические вещества, содержащие углерод:

Данные вещества традиционно относятся к области неорганической химии:

Карбонаты
Карбиды
Цианиды
Оксиды углерода
Цианаты

Неорганические тиоцианаты (роданиды)
Селеноцианаты

Карбонилы металлов

Металлы - группа элементов, в виде простых веществ, обладающих характерными металлическими свойствами, такими, как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск.

Характерные свойства металлов

Металлический блеск
Хорошая электропроводность
Возможность лёгкой механической
Высокая плотность
Высокая температура плавления (исключения: ртуть, галлий и щелочные металлы)
Большая теплопроводность

В реакциях чаще всего являются восстановителями окислительно-восстановительных реакциях в водных растворах.

Неметаллы — химические элементы с типично неметаллическими свойствами, которые занимают правый верхний угол Периодической системы.

Характерной особенностью неметаллов является большее (по сравнению с металлами) число электронов на внешнем энергетическом уровне их атомов. Это определяет их большую способность к присоединению дополнительных электронов, и проявлению более высокой окислительной активности, чем у металлов.

Неметаллы имеют высокие значения сродства к электрону, большую электроотрицательность и высокий окислительно-восстановительный потенциал.

В периодической системе элементов Д.И.Менделеева металлы расположены в левом нижнем углу от диагонали B–At.

В металлах связь металлическая и металлическая кристаллическая решётка чем объясняются физические свойства металлов.

Для главных подгрупп: чем левее и ниже металл, тем большую химическую активность он проявляет. В периодах металлические свойства убывают, а в группах усиливаются (с увеличением порядкового номера), так как изменяется радиус атома.

Для металлов характерны общие физические свойства:

1) твёрдость; 2) электро и теплопровдность; 3) непрозрачность; 4) металлический блеск;

5) ковкость или пластичность (объяснение – металлическая кристаллическая решётка).

ВОПРОС №34

Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 4746; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 12 13 14 15 161718 19 20 21 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!