Путаница в классификации гидроксидов и неумение определять продукты окислительно-восстановительных реакций (ОВР) часто приводят к ошибкам при выполнении заданий первой и второй части ЕГЭ по химии. Разберём химические свойства кислотных, основных и амфотерных гидроксидов, а также способы их получения. После этой статьи ты сможешь уверенно предсказывать возможность протекания реакций и писать уравнения без зазубривания.
Где тема встречается на экзамене
Встретить тему гидроксидов ты можешь в ряде заданий первой и второй части.
- Классификация неорганических веществ (задание 5). Здесь проверяется умение отличать основные, кислотные и амфотерные гидроксиды.
- Химические свойства неорганических веществ (задания 7 и 8). В условии приводят список реагентов и просят найти вещества, между которыми протекает реакция, или сопоставить исходные вещества с продуктами.
- Цепочка превращений (задание 9). Нужно найти неизвестные вещества $X$ и $Y$.
- Задания второй части (29, 31). Проверяется умение писать окислительно-восстановительные реакции и другие сложные неорганические превращения.
Общие представления о гидроксидах
Гидроксиды — это сложные неорганические вещества, в состав которых входит одна или несколько гидроксогрупп $OH$.
В зависимости от природы элемента, с которым связана гидроксогруппа, отрыв ионов в водном растворе происходит по-разному. Это определяет классификацию гидроксидов на три большие группы:
- Основные гидроксиды (основания). Образованы металлами со степенью окисления $+1$, $+2$ (исключения: $Be, Zn, Pb, Sn$). В растворе диссоциируют с образованием гидроксид-ионов $OH^{-}$. Физические свойства: твёрдые вещества. Щёлочи хорошо растворимы в воде, мылистые на ощупь. Остальные основания нерастворимы.
- Кислотные гидроксиды (кислородсодержащие кислоты). Образованы неметаллами и металлами в высоких степенях окисления ($+5, +6, +7$). Диссоциируют с образованием ионов водорода $H^{+}$. Физические свойства: жидкие или твёрдые вещества.
- Амфотерные гидроксиды. Образованы металлами со степенью окисления $+3, +4$, а также $Be, Zn, Pb, Sn$ ($+2$). Могут диссоциировать и по типу кислот, и по типу оснований. Физические свойства: твёрдые, нерастворимые в воде порошки.
Химические свойства основных гидроксидов (оснований)
Основания делятся по силе. Сильные основания (щёлочи) — это гидроксиды щелочных и щёлочноземельных металлов ($NaOH, KOH, Ba(OH)_2, Ca(OH)_2$). Слабые основания — это нерастворимые в воде гидроксиды ($Cu(OH)_2, Fe(OH)_2, Mg(OH)_2$) и водный раствор аммиака.
Реакции с простыми веществами
Щёлочи взаимодействуют с некоторыми неметаллами. В этих реакциях неметалл часто диспропорционирует (одновременно повышает и понижает степень окисления).
С галогенами (кроме фтора) реакция идёт по-разному в зависимости от температуры:
$Cl_2 + 2KOH \xrightarrow{на холоде} KCl + KClO + H_2O$
$3Cl_2 + 6KOH \xrightarrow{t} 5KCl + KClO_3 + 3H_2O$
Фтор вытесняет кислород:
$4NaOH + 2F_2 \rightarrow 4NaF + O_2 + 2H_2O$
С серой и фосфором щёлочи реагируют при нагревании:
$3S + 6NaOH \xrightarrow{t} 2Na_2S + Na_2SO_3 + 3H_2O$
$4P + 3KOH + 3H_2O \xrightarrow{t} PH_3 \uparrow + 3KH_2PO_2$
С кремнием щёлочи реагируют с выделением водорода:
$Si + 2NaOH + H_2O \rightarrow Na_2SiO_3 + 2H_2 \uparrow$
Из металлов с щелочами реагируют только амфотерные металлы ($Al, Zn, Be$). В растворах щелочей получаются комплексные соли, а при сплавлении — средние.
$2Al + 2NaOH_{раствор} + 6H_2O \rightarrow 2Na[Al(OH)_4] + 3H_2$
$Zn + 2NaOH_{расплав} \rightarrow Na_2ZnO_2 + H_2$
Реакции с водой
Основные гидроксиды с водой химически не реагируют. Щёлочи растворяются в воде.
Реакции с оксидами
Основные гидроксиды не реагируют с основными оксидами, так как вещества одной природы не вступают во взаимодействие. С кислотными оксидами щёлочи реагируют, образуя средние или кислые соли (в зависимости от избытка реагентов):
$2NaOH_{(избыток)} + CO_2 \rightarrow Na_2CO_3 + H_2O$
$NaOH + CO_{2~(избыток)} \rightarrow NaHCO_3$
Нерастворимые основания реагируют только с кислотными оксидами, которые соответствуют сильным кислотам ($SO_3, N_2O_5$):
$Cu(OH)_2 + SO_3 \rightarrow CuSO_4 + H_2O$
С амфотерными оксидами реагируют только щёлочи. При сплавлении образуется средняя соль, в растворе — комплексная:
$2KOH + ZnO \xrightarrow{t} K_2ZnO_2 + H_2O$
$2KOH + ZnO + H_2O \rightarrow K_2[Zn(OH)_4]$
Реакции с кислотами-неокислителями
Происходит типичная реакция нейтрализации. Реагируют как сильные, так и нерастворимые основания:
$NaOH + HCl \rightarrow NaCl + H_2O$
$Cu(OH)_2 + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + 2H_2O$
$Fe(OH)_2 + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + 2H_2O$
Реакции с кислотами-окислителями
Концентрированные серная кислота и азотная кислота любой концентрации выступают сильными окислителями.
Если металл в основании находится в своей высшей степени окисления, протекает обычная реакция обмена:
$Cu(OH)_2 + 2HNO_3 \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2H_2O$
Если металл в гидроксиде может повысить степень окисления, протекает ОВР:
$3Fe(OH)_2 + 10HNO_{3~(конц.)} \rightarrow 3Fe(NO_3)_3 + NO_2 \uparrow + 8H_2O$
$2Fe(OH)_2 + 4H_2SO_4 \rightarrow Fe_2(SO_4)_3 + SO_2 \uparrow + 6H_2O$
Реакции с основаниями
Основные гидроксиды между собой не реагируют.
Реакции с амфотерными гидроксидами
Щёлочи реагируют с амфотерными гидроксидами, играя роль среды, растворяющей амфотерный осадок. Как и в случае с оксидами, условия определяют продукт:
$NaOH + Al(OH)_3 \xrightarrow{t} NaAlO_2 + 2H_2O$
(расплав)
$NaOH + Al(OH)_3 \rightarrow Na[Al(OH)_4]$
(водный раствор)
Слабые основания с амфотерными гидроксидами не реагируют.
Реакции с солями
Щёлочи вступают в реакции ионного обмена с растворимыми солями, если в результате образуется нерастворимый гидроксид или выделяется газ:
$2KOH + CuSO_4 \rightarrow Cu(OH)_2 \downarrow + K_2SO_4$
$NaOH + NH_4Cl \xrightarrow{t} NaCl + NH_3 \uparrow + H_2O$
Нерастворимые основания с солями не реагируют.
Реакции разложения
Термическое разложение свойственно только нерастворимым основаниям и гидроксиду лития.
Они разлагаются на оксид и воду:
$Cu(OH)_2 \xrightarrow{t} CuO + H_2O$
Химические свойства кислотных гидроксидов и бескислородных кислот
Типы классификаций кислот:
- по силе: сильные ($H_2SO_4, HNO_3, HCl, HBr, HI$) и слабые ($H_2S, H_2CO_3, H_2SiO_3, CH_3COOH$);
- по основности: одноосновные ($HNO_3, HCl$), двухосновные ($H_2SO_4, H_2S$), трехосновные ($H_3PO_4$);
- по наличию кислорода: кислородсодержащие (они же кислотные гидроксиды, например $H_2SO_4$) и бескислородные ($HCl, H_2S$).
Реакции с простыми веществами
Взаимодействие с металлами зависит от природы кислоты.
Кислоты-неокислители реагируют только с металлами, стоящими в ряду активности до водорода:
$Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2 \uparrow$
$Fe + H_2SO_4 \rightarrow FeSO_4 + H_2 \uparrow$
Кислоты-окислители ($HNO_3$ любой концентрации и $H_2SO_4$ концентрированная) реагируют с металлами, стоящими как до, так и после водорода (кроме $Au, Pt$).
При этом водород никогда не выделяется:
$Cu + 4HNO_{3~(конц.)} \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2NO_2 \uparrow + 2H_2O$
$3Cu + 8HNO_{3~(разб.)} \rightarrow 3Cu(NO_3)_2 + 2NO \uparrow + 4H_2O$
$Cu + 2H_2SO_{4~(конц.)} \xrightarrow{t} CuSO_4 + SO_2 \uparrow + 2H_2O$
Кислоты-окислители реагируют с некоторыми неметаллами ($S, C, P$ и $I_2$) с образованием высшей кислоты этого неметалла:
$C + 2H_2SO_4 \xrightarrow{t} CO_2 \uparrow + 2SO_2 \uparrow + 2H_2O$
$P + 5HNO_3 \xrightarrow{t} H_3PO_4 + 5NO_2 \uparrow + H_2O$
$S + 6HNO_3 \xrightarrow{t} H_2SO_4 + 6NO_2 \uparrow + 2H_2O$
Галогенводороды и сероводород могут вступать в реакции замещения с более активным галогеном:
$2HBr + Cl_2 \rightarrow 2HCl + Br_2$
Реакции с водой
Кислоты с водой не реагируют, они растворяются в ней.
Реакции с оксидами
Кислоты не реагируют с кислотными оксидами, но растворяют основные и амфотерные оксиды:
$CuO + 2HCl \rightarrow CuCl_2 + H_2O$
$ZnO + H_2SO_4 \rightarrow ZnSO_4 + H_2O$
Реакции с кислотами
Между собой кислоты не реагируют. Исключение составляют ОВР между кислотой-окислителем и кислотой-восстановителем:
$H_2S + 8HNO_{3~(конц.)} \rightarrow H_2SO_4 + 8NO_2 \uparrow + 4H_2O$
$3H_2S + 2HNO_{3~(разб.)} \rightarrow 3S \downarrow + 2NO \uparrow + 4H_2O$
$H_2S + H_2SO_{4~(конц.)} \rightarrow S \downarrow + SO_2 \uparrow + 2H_2O$
Реакции с основаниями
Классическая реакция нейтрализации протекает в любых условиях. Растворимые и нерастворимые основания реагируют с большинством кислот:
$2KOH + H_2SO_4 \rightarrow K_2SO_4 + 2H_2O$
$Fe(OH)_2 + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + 2H_2O$
Реакции с амфотерными гидроксидами
Кислоты легко растворяют амфотерные гидроксиды с получением средних солей:
$Al(OH)_3 + 3HNO_3 \rightarrow Al(NO_3)_3 + 3H_2O$
$Zn(OH)_2 + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + 2H_2O$
Реакции с солями
Кислоты вытесняют более слабые или летучие кислоты из их солей, а также вступают в реакции обмена с образованием осадка:
$Na_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + CO_2 \uparrow + H_2O$
$BaCl_2 + H_2SO_4 \rightarrow BaSO_4 \downarrow + 2HCl$
$AgNO_3 + HCl \rightarrow AgCl \downarrow + HNO_3$
Более слабые кислоты не могут вытеснить более сильные из солей. Однако в этом правиле есть одно исключение — образование так называемых суровых сульфидов. Это сульфиды тяжёлых металлов, стоящих после железа в ряду активности. Сероводород может вытеснять даже сильные кислоты из соответствующих солей с образованием суровых сульфидов: $Cu(NO_3)_2 + H_2S \rightarrow CuS \downarrow + 2HNO_3$. Суровые сульфиды могут раствориться только в кислотах-окислителях при нагревании. С кислотами-неокислителями реакции не идут.
Реакции разложения
Азотная кислота разлагается с изменением степеней окисления:
$4HNO_3 \rightarrow 4NO_2 + O_2 + 2H_2O$
Кремниевая кислота разлагается на оксид и воду:
$H_2SiO_3 \rightarrow SiO_2 + H_2O$
Химические свойства амфотерных гидроксидов
Амфотерные гидроксиды проявляют свойства и кислот, и оснований. К ним относят $Al(OH)_3, Cr(OH)_3, Zn(OH)_2, Be(OH)_2, Fe(OH)_3$ и ряд других.
Реакции с простыми веществами и водой
С металлами, неметаллами и водой амфотерные гидроксиды не реагируют.
Реакции с оксидами
В водных растворах реакция не протекает. При сплавлении амфотерные гидроксиды ведут себя как кислоты по отношению к основным оксидам:
$CaO + Zn(OH)_2 \xrightarrow{t} CaZnO_2 + H_2O \uparrow$
Реакция возможна только с оксидами активных металлов.
Из кислотных оксидов в реакцию с амфотерными гидроксидами могут вступать только оксиды, соответствующие сильным кислотам (например, $SO_3, N_2O_5$):
$Zn(OH)_2 + N_2O_5 = Zn(NO_3)_2 + H_2O$
С амфотерными оксидами реакции не протекают.
Реакции с кислотами
Амфотерные гидроксиды выступают классическими основаниями, образуя соли:
$Zn(OH)_2 + H_2SO_4 \rightarrow ZnSO_4 + 2H_2O$
$Cr(OH)_3 + 3HCl \rightarrow CrCl_3 + 3H_2O$
Реакции с основаниями
Взаимодействие идёт только с щелочами. Как обсуждалось ранее, продукт зависит от условий процесса.
Сплавление:
$Al(OH)_3 + KOH \xrightarrow{t} KAlO_2 + 2H_2O$
$Zn(OH)_2 + 2NaOH \xrightarrow{t} Na_2ZnO_2 + 2H_2O$
В растворе:
$Al(OH)_3 + KOH \rightarrow K[Al(OH)_4]$
$Zn(OH)_2 + 2NaOH \rightarrow Na_2[Zn(OH)_4]$
Амфотерные гидроксиды между собой не реагируют.
Реакции с солями
В водных растворах реакция не протекает. При высоких температурах амфотерный гидроксид способен вытеснить летучий кислотный оксид из карбонатов или сульфитов щелочных металлов:
$2Al(OH)_3 + Na_2CO_3 \xrightarrow{t} 2NaAlO_2 + CO_2 \uparrow + 3H_2O$
Реакции разложения
Термическое разложение амфотерных гидроксидов приводит к образованию оксида и воды:
$2Al(OH)_3 \xrightarrow{t} Al_2O_3 + 3H_2O$
$2Cr(OH)_3 \xrightarrow{t} Cr_2O_3 + 3H_2O$
Получение гидроксидов
Способ получения зависит от того, растворим гидроксид в воде или нет.
Реакции оксидов с водой
Оксиды щелочных и щёлочноземельных металлов взаимодействуют с водой, образуя щёлочи:
$Li_2O + H_2O \rightarrow 2LiOH$
$BaO + H_2O \rightarrow Ba(OH)_2$
Кислотные оксиды (ангидриды кислот) при растворении в воде дают кислотные гидроксиды:
$SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4$
$P_2O_5 + 3H_2O \xrightarrow{t} 2H_3PO_4$
Оксиды, соответствующие нерастворимым гидроксидам, с водой не реагируют.
Реакции ионного обмена
Нерастворимые основания и амфотерные гидроксиды получают взаимодействием растворимой соли соответствующего металла со щелочами.
Важно не добавлять избыток щёлочи в случае амфотерных гидроксидов, иначе осадок растворится:
$CuSO_4 + 2KOH \rightarrow Cu(OH)_2 \downarrow + K_2SO_4$
$AlCl_3 + 3NaOH_{недостаток} \rightarrow Al(OH)_3 \downarrow + 3NaCl$
Амфотерные гидроксиды часто получают в реакциях соответствующих солей с раствором аммиака:
$AlCl_3 + 3NH_3 + 3H_2O \rightarrow Al(OH)_3 \downarrow + 3NH_4Cl$
Слабые кислоты можно получить реакцией более сильной кислоты с солью:
$Na_2SiO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2SiO_3 \downarrow$
Электролиз растворов солей
В промышленности щёлочи часто получают электролизом растворов хлоридов металлов IA или IIA группы:
$2KCl + 2H_2O \xrightarrow{электролиз} 2KOH + H_2 \uparrow + Cl_2 \uparrow$
Водород выделяется на катоде, галоген — на аноде, а в околокатодном пространстве накапливается гидроксид.
Обобщающая матрица взаимодействий
| Класс веществ | С кислотами | Со щелочами | С нерастворимыми основаниями | С амфотерными гидроксидами |
|---|---|---|---|---|
| Сильные кислоты | Нет (исключение — ОВР) | Да | Да | Да |
| Щёлочи | Да | Нет | Нет | Да |
| Нерастворимые основания | Да | Нет | Нет | Нет |
| Амфотерные гидроксиды | Да | Да | Нет | Нет |
Типичные ошибки на ЕГЭ
Чтобы баллы на экзамене не терялись, запомни три важных правила.
- Учитывай окислительные свойства кислот. Часто разбавленную азотную кислоту воспринимают как обычную и пишут с ней стандартную реакцию обмена: $Fe(OH)_2 + 2HNO_3 \rightarrow Fe(NO_3)_2 + 2H_2O$. Азотная кислота — сильный окислитель. $Fe^{+2}$ обязательно повысит степень окисления до $Fe^{+3}$. Верное уравнение: $3Fe(OH)_2 + 10HNO_3 \rightarrow 3Fe(NO_3)_3 + NO \uparrow + 8H_2O$.
- Реакции получения щелочей из солей идут только между растворами. Нельзя добавлять соль к нерастворимому основанию, чтобы получить щёлочь (например: $Cu(OH)_2 + K_2SO_4 \rightarrow 2KOH + CuSO_4$). Две соли или соль и гидроксид могут взаимодействовать в растворе, только если оба исходных вещества растворимы. $Cu(OH)_2$ — осадок, реакция не пойдёт. Для получения щёлочи берут растворимые реагенты: $Ba(OH)_2 + Na_2SO_4 \rightarrow BaSO_4 \downarrow + 2NaOH$.
- Амфотерные гидроксиды не растворяются в гидрате аммиака. Водный раствор аммиака — слабое основание. Оно осаждает амфотерные гидроксиды из солей, но не растворяет полученный осадок (кроме цинка, образующего аммиачный комплекс). Например: $AlCl_3 + 3NH_3 \cdot H_2O \rightarrow Al(OH)_3 \downarrow + 3NH_4Cl$. В избытке аммиака осадок гидроксида алюминия не растворится.
Примеры экзаменационных заданий
Теперь посмотрим, как теория работает на практике.
Задание 1
Среди предложенных формул выберите формулы: А) кислотного гидроксида; Б) одноосновной кислоты; В) амфотерного оксида.
Варианты: 1. $Cr(OH)_2$. 2. $ZnO$. 3. $H_2SO_4$. 4. $Ca(OH)_2$. 5. $HCl$. 6. $Cr(OH)_3$. 7. $AlCl_3$. 8. $PH_3$.
А) Кислотный гидроксид — это кислородсодержащая кислота. Подходит $H_2SO_4$ (3).
Б) Одноосновная кислота. Серная кислота $H_2SO_4$ — двухосновная. Одноосновная — $HCl$ (5).
В) Амфотерный оксид. Этому классу соответствует $ZnO$ (2).
Ответ: 352.
Задание 2
С какими реагентами из перечисленных способно взаимодействовать вещество $Zn(OH)_2$? 1. $AgNO_3, Na_3PO_4, Cl_2$. 2. $BaO, H_2O, KOH$. 3. $HBr, LiOH, CH_3COOH$.
Анализируем вещество. $Zn(OH)_2$ — нерастворимый амфотерный гидроксид.
Вариант 1: с солями не реагирует.
Вариант 2: с водой не реагирует.
Вариант 3: с кислотами ($HBr$ и $CH_3COOH$) реагирует, как основание. Со щёлочью ($LiOH$) реагирует, как кислота, образуя тетрагидроксоцинкат лития $Li_2[Zn(OH)_4]$.
Ответ: 3.
Задание 3
Задана следующая схема превращений веществ: $AlCl_3 \xrightarrow{NH_{3~(раствор)}} X \xrightarrow{Y} NaAlO_2$. Определите, какие из указанных веществ являются веществами $X$ и $Y$:
1. $NaOH_{(раствор)}$. 2. $NaCl$. 3. $Al(NO_3)_3$. 4. $NaOH_{(расплав)}$. 5. $Al(OH)_3$.
На первой стадии хлорид алюминия реагирует с водным раствором аммиака: $AlCl_3 + 3NH_3 + 3H_2O \rightarrow Al(OH)_3 \downarrow + 3NH_4Cl$.
Значит, вещество $X$ — $Al(OH)_3$ (вариант 5).
Во второй стадии из гидроксида алюминия получается средняя соль алюминат натрия. Образование средней соли возможно при сплавлении щёлочи с амфотерным гидроксидом: $NaOH + Al(OH)_3 \rightarrow NaAlO_2 + 2H_2O$.
Под $Y$ подходит расплав гидроксида натрия (вариант 4).
Ответ: 54.
Заключение
После изучения этого материала можно уверенно приступать к решению экзаменационных заданий по химии элементов. Теперь ты умеешь:
- разделять соединения по классам и определять их кислотно-основную природу;
- писать уравнения реакций для амфотерных веществ с учётом условий (сплавление или раствор);
- определять течение ОВР при взаимодействии гидроксидов с кислотами-окислителями.
Чтобы закрепить теорию на практике, реши несколько аналогичных заданий линий 5–9 в «100балльном банке».
