Кислоты и основания. Обобщающий материал для дополнительных занятий


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте файл и откройте на своем компьютере.
Стародубец Е.Е. Казанский национальный исследовательский технологический университет, 2016, факультет довузовской подготовки ФГБОУ ВО «КНИТУ» Кислоты и основания. Обобщающий материал для дополнительных занятий § 1 . Кислоты ‬ сложные химические вещества, которые в водном растворе диссоциируют с образованием катионов водорода Н + ионы оксония H 3 О +  и аниона кислотного остатка. Электролитическая диссоциация ‬ это обратимый распад вещества в растворе на ионы. Ионы ‬ положительно катионы или отрицательно анионы заряженные частицы: HNO 2 Н + + NO 2  . Кислоты классифицируют по различным признакам: 1 по составу ‬ бескислородные  H 2 S, HBr  и кислородсодержащие  H 2 S O 4 , HNO 3 ); 2 устойчивые  H 2 S O 4  и неустойчивые  H 2 CO 3 , H 2 S O 3 ); 3 летучие  H 2 S, HCl  и нелетучие  H 2 S O 4 , H 3 Р O 4 ); 4 сильные ‬ легко диссоциирующие на ионы  HCl , HNO 3 , слабые ‬ слабо распадающиеся на ионы  HF , H 2 CO 3 , H 2 S O 3 , H 2 S), средней силы ( H 3 Р O 4 ); 5 растворимые в воде практически все кислоты и нерастворимые  H 2 S iO 3 ); 6) одноосновные  HNO 3 , HCl , HBr , двухосновные  H 2 S O 4 , H 2 S  и трёхосновные  H 3 Р O 4 ). Диссоциация двух - и трёхосновных кислот происходит ступенчато: I . H 2 SO 4 Н + + ; II . Н + + . I . H 3 PO 4 Н + + ; II . Н + + ; III . Н + + . Степень электролитической диссоциации  ‬ это отношение числа частиц, распавшихся на ионы  N д  к общему числу растворенных частиц  N ), в % или долях : . По степени диссоциации в растворах все кислоты делятся на две группы. К сильным кислотам относятся кислоты, для которых степень диссоциации в растворах α > 30 % и почти не зависит от концентрации раствора. Так, в растворах HCl , HNO 3 , H 2 SO 4 практически нет молекул, есть только ионы. К слабым относятся кислоты со степенью диссоциации меньше 30 %. В их растворах есть и ионы, и молекулы, причём молекул больше. К ним относятся у гольная, сернистая и кремниевая кислоты, большинство органических кислот. Например, д ля уксусной кислоты CH 3 COOH в 0,1 М водном растворе величина  равна 4 %. Это значит, что в водном растворе кислоты лишь 4 из каждых 100 молекул диссоциированы, то есть находятся в виде ионов Н + и СН 3 СОО − , остал ьные же 96 молекул не диссоциированы. Для слабых кислот степень диссоциации по каждой следующей ступени резко уменьшается по сравнению с предыдущей: I . H 3 PO 4 Н + +  = 23,5 %; II . Н + +  = 3  10  4 % ; III . Н + +  = 2  10  9 % . Между группами сильных и слабых кислот нет четкой границы, так как степень диссоциации сильно зависит от природы растворителя, концентрации раствора при разбавлении степень диссоциации α сильно возрастает и температуры. Также силу кислоты можно определить по величине константы ионизации кислоты по первой ступени К а1 , которая определяется соотношением равновесных концентраций ион ов в растворе к равновесной концентрации самой кислоты и является справочной величиной. Например, выражение константы ионизации по первой ступени - для H 2 S O 4 : ‬ сильная кислота; - для H 3 Р O 4 : ‬ кислота средней силы. Сильные кислоты имеют К а1  10  1 ( H 2 SO 4 , HNO 3 , HCl , HBr , HI , HClO 4 , HBrO 4 , HClO 3 , HBrO 3 , HIO 3 , H 2 MnO 4 ). Формулу кислородсодержащией кислоты можно представить в виде: ЭО n ( OH ) m . Кислоты типа ЭО 2 ( OH ) m относятся к сильным кислотам, типа ЭО 3 ( OH ) m ‬ к очень сильным кислотам правило Полинга, например: H 2 SO 4 ‬ S О 2 ( OH ) 2 ‬ сильная кислота, H 2 SO 3 ‬ S О OH ) 2 ‬ c лабая кислота. Некоторые кислородсодержащие кислоты существуют в нескольких разных формах, для ра зличения которых к названию кислоты добавляют приставки, например, орто - , пиро - или мета - . Ортокислоты, как правило, представляют собой мономеры с максимальным количеством ОН - групп, приходящихся на атом неметалла. Например, в кри сталлическом виде ортофосфорная кислота H 3 Р O 4 построена из молекул РООН 3 , ортоборная кислота H 3 В O 3  из молекул ВОН 3 , связанных между собой водородными связями в двумерные структуры или плоские слои, соответственно. При нагревании происходит частичная дегидратация отщепление молекул воды этих кислот и образуются полимерные кислоты поликислоты линейного или циклического строения, в которых мостиком между атомами неметалла выступают атомы кислорода  пиро - рис. 1 и метакислоты для фосфора  НРО 3 ) n , где n  3...8; для бора  ( HBO 2 ) n , где n � 2  рис. 2. О О О О Р + Р  Р Р  Н 2 О НО ОН НО ОН НО О ОН НО ОН НО ОН Рис. 1. Схема образования пирофосфорной кислоты Н 4 Р 2 O 7 при дегидратации Н 3 Р O 4 ОН В О О В В НО О ОН Рис. 2. Структура триметаборной кислоты  HBO 2 ) 3 , в которой три группы В O 3 объединены в цикл посредством атомов кислорода Структура орто - , пиро - и метакремниевых кислот приведена на рис. 3. Обычно за счет уменьшения количества ОН - групп и перераспределения электронной плотности сила кислот в ряду рассматриваемых кислот орто - ; п иро - ; мета -  увеличивается. ортокремниевая пирокремниевая метакремниевая Н 4 SiO 4 Н 6 Si 2 O 7 Н 2 SiO 3 (SiO 2  2 H 2 O) (SiO 2  1,5 H 2 O) (SiO 2  H 2 O) Рис. 3. Структурные формулы кремниевых кислот H 2 SO 4 можно рассматривать как ортосерную кислоту, при дегидратации которой путем объединения двух тетраэдров через атом кислорода образуется пиросерная дисерная кислота H 2 S 2 O 7 рис. 4. Также возможно объединение тетраэдров в более длинные цепи и образование полисерных кислот с общей формулой H 2 S n O 3 n +1 , где n = 1, 2, 3, 4... . О О О О S + S  S S  Н 2 О О ОН НО О О О О НО ОН НО ОН Рис. 4. Схема образования пиросерной кислоты H 2 S 2 O 7 при дегидратации H 2 SO 4 Кислоты взаимодействуют с основаниями, основными и амфотерными оксидами, солями. Это реакции без изменения степеней окисления. Упражнения для работы на занятии Задание 1 Определите кислоты среди перечисленных соединений: CuO , ClF , HCl , H 2 CO 3 , NaNO 3 , HNO 2 , H 2 SeO 4 , KOH , HF , SO 2 , HClO 4 , H 2 S O 3 , H 2 S , H 3 PO 4 . Приведите их название. а Какая из кислот одноосновная, двухосновная, трёхосновная? Запишите уравнения их ступенчатой диссоциации. б Выберите формулы летучих кислот. Правильно ли газообразные безводные HCl и H 2 S называть кислотами? в Выберите неустойчивые кислоты. Назовите соединения, на котор ые они распадаются. г Определите степени окисления элементов в кислотах, содержащих азот и серу. Приведите формулы их кислот в других степенях окисления и дайте им названия. Представьте формулы этих кислот в виде ЭО n ( OH ) m . Какие из них сильные, а какие ‬ слабые? д Найдите кислоту, в состав которой входит хлор в положительной степени окисления. Какие еще устойчивые положительные степени окисления может иметь хлор? Составьте формулы кислот в этих степенях окисления и дайте им названия. Представьте формулы э тих кислот в виде ЭО n ( OH ) m . Какие из них сильные, а какие ‬ слабые? Для какой из этих кислот можно приготовить 72 % раствор? Ответ: д Фор мула Название Сила кислоты Устойчивые растворы HClO Хлорноватистая Cl ( OH ) очень слабая 20 - 35 % HClO 2 Хлористая Cl О OH ) слабая 5 - 10 % HClO 3 Хлорноватая Cl О 2 ( OH ) сильная До 40 % HClO 4 Хлорная Cl О 3 ( OH ) очень сильная До 72 % Задание 2 Ксеноновую кислоту H 4 XeO 6 впервые получили в 1963 г., но экспериментально определить её силу не смогли. Используя правило Полинга, предскажите силу этой кислоты. Задание 3 Верно ли утверждение: «В азотной кислоте степень окисления азота равна 5, а валентность азота равна 4»? Ответ обоснуйте. Задание 4 Известно, что HNO 3 , H 2 SO 4 , HClO 4  сильные кислоты. Будут ли эти кислоты при сли вании друг с другом «суммировать свою силу»? [1 ] Ответ: для HNO 3 К а = 4,36 ∙ 10 1 ; для H 2 SO 4 К а = 1 ∙ 10 3 ; для HClO 4 К а ≈ 10 8 . При сливании HNO 3 и HClO 4 азотная кислота более слабая ведет себя как основание, её можно представить в виде NO 2 ( OH ) , тогда возможно протекание реакции: NO 2 (OH) + HClO 4 NO 2 ClO 4 + H 2 О , в которой образуется соль ‬ перхлорат нитроила, то есть простого суммирования свойств растворенных веществ не происходит. Аналогично при сливании HNO 3 и H 2 SO 4 ( HNO 3 ‬ более слабая кислота образуется гидросульфат нитрония или нитроила, а при сливании HClO 4 и H 2 SO 4 ‬ перхлорат тетраоксосульфония в данном случае H 2 SO 4 ‬ более слабая кислота : NO 2 (OH) + 2 H 2 SO 4 + 2 + H 3 О + ; H 2 SO 4 + HClO 4 . Образование ионов нитрония и сульфония происходит соответственно в концентрированном растворе HNO 3 и H 2 SO 4 при самоионизации: 3 HNO 3 Н 3 О + + + 2 ; 2 H 2 SO 4 + . Задание 5 Возможно ли приготовить 60 % растворы сероводородной, серной и тиосерной кислот? Ответ: 60 % раствор можно приготовить только для H 2 SO 4 . Сероводород в воде плохо растворим, при обычных условиях возможно приготовить раствор не более 0,1 моль/л 0,34 %. Тиосерная кислота имеет формулу H 2 SO 3 S ( H 2 S 2 O 3 ). Формально её можно получить замещением в H 2 SO 4 концевого атома кислорода на серу. Свободная тиосерная кислота в присутствии воды распадается согласно уравнению H 2 SO 3 S = H 2 SO 3 + S = H 2 О  SO 2 + S . Задание 6 Можно ли для очистки водных растворов азотистой, азотной и ортофорфорной кислоты от примесей провести их перегонку? [ 1] Ответ: без разложения перегоняется только азотная кислота. Азотистая кислота при перегонке разлагается. Уравнение реакции можно представить следующим образом: 3 HNO 2 = HNO 3 + 2 NO  + H 2 О ; 2 NO + O 2 = 2 NO 2 . Ортофосфорная кислота при нагревании теряет воду, превращаясь в триметафосфорную кислоту: 6 H 3 Р O 4 = 2( H Р O 3 ) 3 + 6 H 2 О. Задание 7 Что такое олеум? Почему при открывании склянки с олеумом из неё выделяется белый дым? Ответ: Олеум ‬ смесь полисерных кислот  H 2 SO 4 , H 2 S 2 O 7 , H 2 S 3 O 10 , H 2 S 4 O 13 ,… ‬ вязкая бесцветная жидкость. Дымит за счет выделяющегося из нее оксида серы SO 3 , который, взаимодействуя с влагой воздуха, образует мельчайшие капельки серной кислоты. Олеум широко используется в промышленности. § 2 . Основание ‬ сложное химическое соединение, которое в водном растворе диссоциирует на катионы металла и гидроксид - ионы  ОН  ): LiOH Li + + OH  ; I. Ba(OH) 2 BaOH + + OH  ; II . BaOH + Ba 2+ + OH  Основания делятся на растворимые в воде щелочи и нерастворимые. Щелочи образуют щелочные и щелочно - земельные металлы. Остальные металлы дают нерастворимые основания. Нерастворимые основания при нагревании разлагаются, образуя оксиды: 2 Fe ( OH ) 3 Fe 2 O 3 + 3 H 2 O . И щелочи, и нерастворимые основания взаимодействуют с кислотами: КОН + Н NO 3 = KNO 3 + H 2 O; Cu(OH) 2 + H 2 SO 4 = Cu SO 4 + 2 H 2 O. Основания могут вступать во взаимодействия с кислотными оксидами и кислыми солями: Ni(OH) 2 + 2 NaHSO 4 = NiSO 4 + Na 2 SO 4 + 2 H 2 O. Упражнения для работы на занятии Задание 8 Определите основания среди перечисленных соединений: RbOH , Н Cl О, Zn ( OH ) 2 , CuOHNO 3 , Al ( OH ) 3 , Mn ( NO 3 ) 2 , LiOH , H 3 PO 4 , ZnSO 4 , Sr ( OH ) 2 , HNO 3 , Sb ( OH ) 3 , Fe ( OH ) 3 , AlOHSO 4 , Ba ( OH ) 2 , BeO , NaOH. Приведите их названия. Какие из них растворимы в воде, какие ‬ нерастворимы? Какие соединения называют щелочами? Запишите уравнения электролитической диссоциации растворимых оснований. Задание 9 Определите, при диссоциации каких соединений образуются только ОН  - ионы : а СН 3 ОН ; б Zn ( OH ) Br ; в ) NaOH ; г CH 3 COOH Ответ: NaOH Задание 10 Установите соответствие между символом химического элемента и формулой его высшего гидроксида: Символ элемента Формула гидроксида А N ; 1) Э OH ; Б С l ; 2) Э OH ) 3 ; В Se ; 3) H 2 Э O 4 ; Г ) As 4) H 3 Э O 4 ; 5) H Э O 4 ; 6) H Э O 3 Ответ: A Б B Г 6 5 3 4 Задание 11 Какие из следующих веществ: H 2 С O 3 , CrO 3 , Al ( OH ) 3 , Cr 2 O 3 , Na 2 O , SO 3 , HCl , SO 2 , Ba ( OH ) 2 ‬ будут взаимодействовать с гидроксидом калия? Ответ : 2 KOH + H 2 С O 3 = K 2 CO 3 + 2 H 2 O; CrO 3 + 2 KOH = K 2 CrO 4 + H 2 O ; Cr 2 O 3 + 2 KOH = 2 KCrO 2 при сплавлении ; SO 3 + 2 KOH = K 2 SO 4 + H 2 O; KOH + H С l = KCl + H 2 O; SO 2 + 2 KOH = K 2 SO 3 + H 2 O. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Степин , Б.Д. Занимательные задания и эффектные опыты по хи мии / Б.Д . Степин , Л.Ю. Аликберова . ‬ М.: Дрофа, 2002. ‬ 432 с.

Приложенные файлы

  • pdf file7
    Кислоты и основания. Обобщающий материал для дополнительных занятий
    Размер файла: 543 kB Загрузок: 3

Добавить комментарий