 |
Протолитическая теория кислот и оснований
|
|
|
|
Протолиз – процесс передачи протона.
Протолиты – кислоты и основания, отдающие и принимающие протоны.
Кислота – молекула или ион, способные отдавать протон. Каждой кислоте соответствует сопряженное с нею основание. Сила кислот характеризуется константой кислоты Кк.
Н2CO3 + Н2O ↔ Н3O+ + HCO3¯
Кк = 4 × 10-7
[Al(Н2O)6]3+ + Н2O ↔ [Al(Н2O)5OH]2+ + Н3O+
Кк = 9 × 10-6
Основание – молекула или ион, способные принимать протон. Каждому основанию соответствует сопряженная с ним кислота. Сила оснований характеризуется константой основания К0.
NH3 × Н2O (Н2O) ↔ NH4+ + OH¯
К0= 1,8 ×10-5
Амфолиты – протолиты, способные к отдаче и к присоединению протона.
HCO3¯ + H2O ↔ Н3O+ + CO32-
HCO3¯ – кислота.
HCO3¯ + H2O ↔ Н2CO3 + OH¯
HCO3¯ – основание.
Для воды: Н2O+ Н2O ↔ Н3O+ + OH¯
K(H2O) = [Н3O+][OH¯] = 10-14 и рН = – lg[H3O+].
Константы Кк и К0 для сопряженных кислот и оснований связаны между собой.
НА + Н2O ↔ Н3O+ + А¯,
А¯ + Н2O ↔ НА + OH¯,
Отсюда
Константа растворимости. Растворимость
В системе, состоящей из раствора и осадка, идут два процесса – растворение осадка и осаждение. Равенство скоростей этих двух процессов является условием равновесия.
Насыщенный раствор – раствор, который находится в равновесии с осадком.
Закон действия масс в применении к равновесию между осадком и раствором дает:
Поскольку [AgClтв] = const,
К • [AgClтв] = Ks(AgCl) = [Ag+] • [Cl¯].
В общем виде имеем:
А m B n (тв.) ↔ m A +n + n B -m
Ks( A m B n) = [А +n ] m • [В -m ] n .
Константа растворимости Ks (или произведение растворимости ПР) – произведение концентраций ионов в насыщенном растворе малорастворимого электролита – есть величина постоянная и зависит лишь от температуры.
|
|
|
Растворимость малорастворимого вещества s может быть выражена в молях на литр. В зависимости от величины s вещества могут быть разделены на малорастворимые – s < 10-4 моль/л, среднерастворимые – 10-4 моль/л ≤ s ≤ 10-2 моль/л и хорошо растворимые s >10-2 моль/л.
Растворимость соединений связана с их произведением растворимости.
Условие осаждения и растворения осадка
В случае AgCl: AgCl ↔ Ag+ + Cl¯
Ks = [Ag+] • [CI¯]:
а) условие равновесия между осадком и раствором: [Ag+] • [Cl¯] = Ks.
б) условие осаждения: [Ag+] • [Cl¯] > Ks; в ходе осаждения концентрации ионов уменьшаются до установления равновесия;
в) условие растворения осадка или существования насыщенного раствора: [Ag+] • [Cl¯] < Ks; в ходе растворения осадка концентрация ионов увеличивается до установления равновесия.
Координационные соединения
Координационные (комплексные) соединения – соединения с донорно-акцеп-торной связью.
Для K3[Fe(CN)6]:
ионы внешней сферы – 3К+,
ион внутренней сферы – [Fe(CN)6]3-,
комплексообразователь – Fe3+,
лиганды – 6CN¯, их дентатность – 1,
координационное число – 6.
Примеры комплексообразователей: Ag+, Cu2+, Hg2+, Zn2+, Ni2+, Fe3+, Pt4+ и др.
Примеры лигандов: полярные молекулы Н2O, NH3, CO и анионы CN¯, Cl¯, OH¯ и др.
Координационные числа: обычно 4 или 6, реже 2, 3 и др.
Номенклатура. Называют сначала анион (в именительном падеже), затем катион (в родительном падеже). Названия некоторых лигандов: NH3 – аммин, Н2O – акво, CN¯ – циано, Cl¯ – хлоро, OH¯ – гидроксо. Названия координационных чисел: 2 – ди, 3 – три, 4 – тетра, 5 – пента, 6 – гекса. Указывают степень окисления комплек-сообразователя:
[Ag(NH3)2]Cl – хлорид диамминсеребра(I);
[Cu(NH3)4]SO4 – сульфат тетрамминмеди(II);
K3[Fe(CN)6] – гексацианоферрат(III) калия.
Химическая связь.
Теория валентных связей предполагает гибридизацию орбиталей центрального атома. Расположение образующихся при этом гибридных орбиталей определяет геометрию комплексов.
|
|
|
Диамагнитный комплексный ион Fe(CN)64-.
Цианид-ион – донор
Ион железа Fe2+ – акцептор – имеет формулу 3d64s04p0. С учетом диамагнитности комплекса (все электроны спарены) и координационного числа (нужны 6 свободных орбиталей) имеем d2sp3 -гибридизацию:
Комплекс диамагнитный, низкоспиновый, внутриорбитальный, стабильный (не используются внешние электроны), октаэд-рический (d2sp3 -гибридизация).
Парамагнитный комплексный ион FeF63-.
Фторид-ион – донор.
Ион железа Fe3+ – акцептор – имеет формулу 3d54s04p0. С учетом парамагнитности комплекса (электроны распарены) и координационного числа (нужны 6 свободных орбиталей) имеем sp3d2 -гибридизацию:
Комплекс парамагнитный, высокоспиновый, внешнеорбитальный, нестабильный (использованы внешние 4d-орбитали), октаэдрический (sp3d2 -гибридизация).
Диссоциация координационных соединений.
Координационные соединения в растворе полностью диссоциируют на ионы внутренней и внешней сфер.
[Ag(NH3)2]NO3 → Ag(NH3)2+ + NO3¯, α = 1.
Ионы внутренней сферы, т. е. комплексные ионы, диссоциируют на ионы металла и лиганды, как слабые электролиты, по ступеням.
где K 1, К 2, К 1_2 называются константами нестойкости и характеризуют диссоциацию комплексов: чем меньше константа нестойкости, тем меньше диссоциирует комплекс, тем он устойчивее.
II. НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
Основные классы неорганических соединений
Оксиды
Оксиды – сложные вещества, состоящие из атомов кислорода в степени окисления -2 и атомов другого элемента.
Номенклатура: Fe2O3 – оксид железа(III), Cl2O – оксид хлора(I).
Классификация оксидов
Несолеобразующие (безразличные) оксиды: CO, SiO, NO, N2O.
Солеобразующие оксиды:
основные – оксиды металлов в степени окисления +1, +2,
амфотерные – оксиды металлов в степени окисления +2, +3, +4,
кислотные – оксиды металлов в степени окисления +5, +6, +7 и
оксиды неметаллов в степени окисления +1 – +7.
Получение оксидов
Горение простых веществ:
С + O2 = CO2
2Са + O2 = 2СаО
Горение (обжиг) сложных веществ:
|
|
|
CH4 + 2O2 = CO2 + 2Н2O
4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2
Разложение сложных веществ:
CaCO3 → t → СаО + CO2
2Fe(OH)3 → t → Fe2O3 + ЗН2O
Химические свойства оксидов
Основным оксидам (Na2O, CaO, CuO, FeO) соответствуют основания.
СаО + Н2O = Са(OH)2 (растворимы оксиды металлов IA– и IIА-групп, кроме Be, Mg)
CuO + Н2O ≠ (оксиды остальных металлов нерастворимы)
СаО + CO2 = CaCO3
СаО + 2HCl = CaCl2 + Н2O
Кислотным оксидам (CO2, Р2O5, СrO3, Mn2O7) соответствуют кислоты.
SO2 + Н2O = H2SO3 (кислотные оксиды, кроме SiO2, растворимы в воде)
SO2 + СаО = CaSO3
SO2 + 2NaOH = Na2SO3 + Н2O
Амфотерным оксидам (ZnO, Al2O3, Cr2O3, ВеО, РЬО) соответствуют амфотерные гидроксиды.
ZnO + H2O ≠ (амфотерные оксиды нерастворимы в воде)
ZnO + 2HCl = ZnCl2 + Н2O
ZnO + 2NaOH → t → Na2ZnO2 + Н2O (при нагревании или сплавлении)
ZnO + 2NaOH + H2O = Na2[Zn(OH)4] (в разбавленном растворе)
Основания
Основания – сложные вещества, состоящие из атомов металла и гидроксиль-ных групп; основания – электролиты, образующие при диссоциации в качестве анионов только анионы гидроксила.
Номенклатура: Fe(OH)3 – гидроксид железа(III).
Классификация оснований:
– растворимые (щелочи) NaOH, KOH;
– нерастворимые Fe(OH)2, Mg(OH)2;
– амфотерные Zn(OH)2, Al(OH)3, Ве(OH)2, Сr(OH)3;
– однокислотные NaOH, KOH;
– двухкислотные Ва(OH)2, Zn(OH)2;
– трехкислотные Al(OH)3, Сr(OH)3.
Получение оснований
Получение щелочей:
2Na + 2Н2O = 2NaOH + Н2
Na2O + Н2O = 2NaOH
Получение нерастворимых и амфотер-ных оснований:
FeSO4 + 2NaOH = Fe(OH)2↓ + Na2SO4
AlCl3 + 3NaOH = Al(OH)3↓ + 3NaCl
Свойства щелочей:
NaOH → Na+ + OH¯ (α = 1, фенолфталеин – красный)
NaOH + HCl = NaCl + H2O (реакция нейтрализации)
2NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O
2NaOH + Zn(OH)2 = Na2[Zn(OH)4]
2NaOH + Al2O3 → t → 2NaAlO2 + H2O
2NaOH + CuSO4 = Cu(OH)2↓ + Na2SO4
2NaOH + Zn + 2H2O = Na2[Zn(OH)4] + H2
2NaOH + 2Al + 6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2
2NaOH + Si + H2O = Na2SiO3 + 2H2
Свойства нерастворимых оснований:
Fe(OH)2 ↔ FeOH+ + OH¯ (α << 1);
FeOH+ ↔ Fe2+ + OH‾ (α << 1)
Fe(OH)2 + H2SO4 = FeSO4 + 2H2O
Fe(OH)2 → t → FeO + H2O
Свойства амфотерных оснований:
Al3++ ЗOH¯ + Н2O ↔ Al(OH)3↓ + Н2O ↔ [Al(OH)4]¯ + Н+
Al(OH)3 + ЗHCl = AlCl3 + ЗН2O
Al(OH)3 + NaOH = Na[Al(OH)4]
2Al(OH)3 → t → Al2O3 + ЗН2O
|
|
|
Кислоты
Кислоты – сложные вещества, состоящие из атомов водорода и кислотного остатка; кислоты – электролиты, образующие при диссоциации в качестве катионов только катионы водорода.
Номенклатура кислот и кислотных остатков:
Классификация кислот:
– одноосновные HCl
– двухосновные H2S
– трехосновные Н3PO4
– кислородсодержащие HNO3
– бескислородные HCl
Получение кислот
CO2 + Н2O = Н2CO3 (кроме SiO2)
Na2SiO3 + H2SO4 = Na2SO4 + H2SiO3↓
H2 + Cl2 = 2HCl
|
|
|
