Тема химических свойств кислых, основных и комплексных солей встречается во многих заданиях ЕГЭ по химии: от классификации веществ до задач высокого уровня сложности. Именно на этих классах соединений часто теряют баллы из-за путаницы в реакциях совместного гидролиза и разрушения гидроксокомплексов. В статье разберём алгоритмы составления уравнений реакций и покажем, как избежать типичных ошибок на экзамене.
Общие представления о кислых солях
Кислые соли образуются при неполном замещении атомов водорода в многоосновной кислоте на атомы металла или катион аммония. Название класса подсказывает, что внутри молекулы сохранился атом водорода.
Номенклатура
К названию аниона добавляется приставка «гидро-» или «дигидро-» в зависимости от количества водорода в составе соли.
Например:
$Na_2CO_3$ — карбонат; $NaHCO_3$ — гидрокарбонат.
Физические свойства
Большинство кислых солей (включая гидрокарбонаты, гидросульфиты, гидрофосфаты) хорошо растворимы в воде. Они представляют собой кристаллические вещества белого цвета, если металл не придаёт окраску.
Способы получения кислых солей
Алгоритм получения основан на правиле: чтобы сохранить кислую среду в соли, кислота или кислотный оксид должны быть в избытке.
Реакция щёлочи с избытком многоосновной кислоты
$NaOH + H_2SO_4 \rightarrow NaHSO_4 + H_2O$
$2KOH + H_3PO_4 \rightarrow K_2HPO_4 + 2H_2O$
$KOH + H_3PO_4 \rightarrow KH_2PO_4 + H_2O$
Реакция щёлочи с избытком кислотного оксида
$NaOH + CO_2 \rightarrow NaHCO_3$
$KOH + SO_2 \rightarrow KHSO_3$
Реакция средней соли с кислотой (той же или более сильной)
$Na_2CO_3 + H_2O + CO_2 \rightarrow 2NaHCO_3$
$Ca_3(PO_4)_2 + 4H_3PO_4 \rightarrow 3Ca(H_2PO_4)_2$
Химические свойства кислых солей
Реакции со щелочами
Добавление щёлочи к кислой соли приводит к её нейтрализации и образованию средней соли.
Водород из аниона соединяется с гидроксид-ионом, образуя воду.
$NaHCO_3 + NaOH \rightarrow Na_2CO_3 + H_2O$
$KHSO_4 + KOH \rightarrow K_2SO_4 + H_2O$
Если добавить щёлочь с другим металлом, образуются две средние соли:
$2NaHCO_3 + 2KOH \rightarrow Na_2CO_3 + K_2CO_3 + 2H_2O$
$Ca(HCO_3)_2 + 2NaOH \rightarrow CaCO_3\downarrow + Na_2CO_3 + 2H_2O$
При добавлении к кислым солям избытка или недостатка $Ca(OH)_2,\, Ba(OH)_2,\, Sr(OH)_2$ могут получаться разные продукты:
$2NaHCO_3 + Ca(OH)_{2~\text{(недостаток)}} \rightarrow Na_2CO_3 + CaCO_3 + 2H_2O$
$NaHCO_3 + Ca(OH)_{2~\text{(избыток)}} \rightarrow NaOH + CaCO_3 + H_2O$
Дигидрофосфаты с избытком и недостатком щёлочи:
$NaH_2PO_4 + NaOH_\text{недостаток} \rightarrow Na_2HPO_4 + H_2O$
$NaH_2PO_4 + 2NaOH_\text{избыток} \rightarrow Na_3PO_4 + 2H_2O$
Реакции с кислотами
Более сильная кислота вытесняет слабую или летучую кислоту из её кислой соли.
$NaHCO_3 + HCl \rightarrow NaCl + CO_2\uparrow + H_2O$
$KHSO_3 + HNO_3 \rightarrow KNO_3 + SO_2\uparrow + H_2O$
$KHS + HBr \rightarrow KBr + H_2S\uparrow$
$Ca(H_2PO_4)_2 + H_2SO_4 \rightarrow CaSO_4\downarrow + 2H_3PO_4$
Реакции с другими солями и совместный гидролиз
Растворимые кислые соли вступают в реакции обмена с другими солями, если выполняется условие образования осадка или газа.
$2NaHSO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2NaCl + H_2SO_4$ (при нагревании)
Разберём реакции совместного гидролиза.
Ионы $Al^{3+},\, Cr^{3+}$ в водном растворе осаждаются гидрокарбонатами, гидросульфитами и гидросульфидами так же, как и средними солями:
$AlCl_3 + 3NaHCO_3 \rightarrow Al(OH)_3\downarrow + 3CO_2\uparrow + 3NaCl$
$CrCl_3 + 3NaHSO_3 \rightarrow Cr(OH)_3\downarrow + 3SO_2\uparrow + 3NaCl$
Для $Fe^{3+}$ реакции совместного гидролиза характерны только при смешивании с гидрокарбонатами:
$FeCl_3 + 3KHCO_3 \rightarrow Fe(OH)_3\downarrow + 3CO_2\uparrow + 3KCl$
Особые свойства гидросульфатов
Гидросульфат-ион ($HSO_4^-$) соответствует очень сильной кислоте. В водном растворе он практически полностью диссоциирует на протон ($H^+$) и сульфат-ион ($SO_4^{2-}$). Поэтому растворы гидросульфатов щелочных металлов ведут себя как разбавленная серная кислота.
Гидросульфаты проявляют следующие свойства:
- реагируют с металлами до водорода:
$2NaHSO_4 + Zn \rightarrow Na_2SO_4 + ZnSO_4 + H_2\uparrow$
$2KHSO_4 + Mg \rightarrow K_2SO_4 + MgSO_4 + H_2\uparrow$ - реагируют с солями слабых кислот с выделением газа:
$2NaHSO_4 + Na_2CO_3 \rightarrow 2Na_2SO_4 + CO_2\uparrow + H_2O$
$KHSO_4 + KHS \rightarrow K_2SO_4 + H_2S\uparrow$ - вступают в качественную реакцию на сульфат-ион с солями бария и стронция:
$2NaHSO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4\downarrow + Na_2SO_4 + 2HCl$
$2KHSO_4 + Sr(NO_3)_2 \rightarrow SrSO_4\downarrow + K_2SO_4 + 2HNO_3$
Термическое разложение кислых солей
Кислые соли летучих кислот разлагаются при нагревании до средних солей, воды и соответствующего газа.
$2NaHCO_3 \xrightarrow{t^\circ} Na_2CO_3 + CO_2\uparrow + H_2O$
$Ca(HCO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} CaCO_3\downarrow + CO_2\uparrow + H_2O$
$2KHSO_3 \xrightarrow{t^\circ} K_2SO_3 + SO_2\uparrow + H_2O$
Общие представления об основных солях
Основные соли образуются при неполном замещении гидроксогрупп в многокислотном основании на кислотный остаток.
Номенклатура
К названию аниона добавляется приставка «гидроксо-» или «дигидроксо-».
Физические свойства
Большинство основных солей нерастворимы в воде. Важный представитель, который часто встречается на ЕГЭ, — малахит, гидроксокарбонат меди(II) $(CuOH)_2CO_3$. Это природный минерал зелёного цвета.
Способы получения основных солей
Для образования основной соли реакцию проводят таким образом, чтобы основание оказалось в избытке.
$2Cu(OH)_2 + HBr \rightarrow Cu(OH)Br + H_2O$
$Mg(OH)_2 + HCl \rightarrow Mg(OH)Cl + H_2O$
Химические свойства основных солей
Термическое разложение малахита приводит к отщеплению воды и углекислого газа, в результате чего остаётся оксид металла.
$(CuOH)_2CO_3 \xrightarrow{t^\circ} 2CuO + CO_2\uparrow + H_2O$
Малахит может быть разрушен под действием сильных кислот:
$(CuOH)_2CO_3 + 4HCl \rightarrow 2CuCl_2 + CO_2 + 3H_2O$
Комплексные соли: гидроксокомплексы
Комплексные соли в рамках школьного курса чаще всего представлены гидроксокомплексами амфотерных металлов: алюминия, цинка, хрома, бериллия. Ион металла выступает комплексообразователем, а гидроксогруппы — лигандами.
Номенклатура
Указывается число гидроксогрупп (тетра- или гекса-), затем слово «гидроксо-», корень латинского названия металла с суффиксом «-ат» и название катиона.
Например, $Na[Al(OH)_4]$ — тетрагидроксоалюминат натрия.
Физические свойства
Растворимы в воде, существуют преимущественно в растворах.
Получение гидроксокомплексов
Главное условие образования комплексной соли — наличие амфотерного соединения и избытка щёлочи в водном растворе.
Растворение амфотерного металла в щёлочи:
$2Al + 2NaOH + 6H_2O \rightarrow 2Na[Al(OH)_4] + 3H_2\uparrow$
$Zn + 2KOH + 2H_2O \rightarrow K_2[Zn(OH)_4] + H_2\uparrow$
Растворение амфотерного оксида:
$Al_2O_3 + 2NaOH + 3H_2O \rightarrow 2Na[Al(OH)_4]$
$ZnO + 2KOH + H_2O \rightarrow K_2[Zn(OH)_4]$
Растворение амфотерного гидроксида:
$Cr(OH)_3 + 3NaOH \rightarrow Na_3[Cr(OH)_6]$
Реакция соли амфотерного металла с избытком щёлочи:
$ZnCl_2 + 4NaOH \rightarrow Na_2[Zn(OH)_4] + 2NaCl$
Таблица характеристик амфотерных металлов и их комплексных солей
| Металл | Степень окисления | Состав комплексного аниона | Пример соли |
|---|---|---|---|
| Цинк ($Zn$) | +2 | $[Zn(OH)_4]^{2-}$ тетрагидроксоцинкат | $Na_2[Zn(OH)_4]$ |
| Бериллий ($Be$) | +2 | $[Be(OH)_4]^{2-}$ тетрагидроксобериллат | $K_2[Be(OH)_4]$ |
| Алюминий ($Al$) | +3 | $[Al(OH)_4]^-$ тетрагидроксоалюминат | $K[Al(OH)_4]$ |
| Хром ($Cr$) | +3 | $[Cr(OH)_6]^{3-}$ гексагидроксохромат(III) | $Na_3[Cr(OH)_6]$ |
Химические свойства комплексных солей
Комплексные соли очень чувствительны к изменению кислотности среды. При добавлении к ним кислот гидроксокомплекс разрушается.
Здесь критически важно учитывать недостаток и избыток реагента.
Реакции с сильными кислотами
При разрушении комплекса недостатком сильной кислоты образуется средняя соль активного металла и выпадает осадок амфотерного гидроксида. Кислоты хватает только на то, чтобы нейтрализовать ту щёлочь, которая удерживала амфотерный гидроксид в растворе.
$Na[Al(OH)_4] + HCl \rightarrow NaCl + Al(OH)_3\downarrow + H_2O$
$K_2[Zn(OH)_4] + 2HNO_3 \rightarrow 2KNO_3 + Zn(OH)_2\downarrow + 2H_2O$
При добавлении избытка сильной кислоты осадок амфотерного гидроксида растворяется, и образуются две средние соли.
$Na[Al(OH)_4] + 4HCl \rightarrow NaCl + AlCl_3 + 4H_2O$
$K_2[Zn(OH)_4] + 4HNO_3 \rightarrow 2KNO_3 + Zn(NO_3)_2 + 4H_2O$
Реакции с газообразными слабыми кислотами
Пропускание через раствор углекислого или сернистого газа разрушает комплекс, но из-за слабости этих кислот амфотерный гидроксид не растворяется, а выпадает в осадок.
Реакции с $CO_2$ (образуется кислая соль активного металла из-за избытка углекислого газа):
$Na[Al(OH)_4] + CO_2 \rightarrow NaHCO_3 + Al(OH)_3\downarrow$
$K_2[Zn(OH)_4] + 2CO_2 \rightarrow 2KHCO_3 + Zn(OH)_2\downarrow$
Реакции с $SO_2$ аналогично приводят к образованию гидросульфитов:
$Na[Al(OH)_4] + SO_2 \rightarrow NaHSO_3 + Al(OH)_3\downarrow$
$K_2[Zn(OH)_4] + 2SO_2 \rightarrow 2KHSO_3 + Zn(OH)_2\downarrow$
Газообразный $H_2S$ способен не только разрушить комплекс, но и связать металл в сульфид, если он нерастворим и не гидролизуется.
Для алюминия выпадает гидроксид, так как сульфид алюминия разлагается водой:
$Na[Al(OH)_4] + H_2S \rightarrow NaHS + Al(OH)_3\downarrow + H_2O$
Для цинка выпадает осадок сульфида цинка:
$K_2[Zn(OH)_4] + 2H_2S \rightarrow ZnS\downarrow + 2KHS + 4H_2O$
Термическое разложение гидроксокомплексов
При прокаливании твёрдой комплексной соли, выпаренной из раствора, гидроксогруппы теряют воду. Комплекс превращается в безводную среднюю соль.
$Na[Al(OH)_4] \xrightarrow{t^\circ} NaAlO_2 + 2H_2O$
$K_2[Zn(OH)_4] \xrightarrow{t^\circ} K_2ZnO_2 + 2H_2O$
Обобщим способы взаимодействия комплексных солей в таблице на примере $K[Al(OH)_4]$.
| Воздействие | Продукты реакции | Ключевая логика |
|---|---|---|
| Нагревание | $KAlO_2 + H_2O$ | Отщепление воды, соль амфотерного оксида |
| $+ CO_2$ или $SO_2$ | $KHCO_3 + Al(OH)_3\downarrow$ | Слабая кислота образует кислую соль и не растворяет гидроксид |
| $+ H_2S$ | $KHS + Al(OH)_3\downarrow + H_2O$ | Образование гидросульфида, осаждение гидроксида (в случае комплекса цинка выпадает осадок сульфида $ZnS$) |
| $+ HBr$ (недостаток) | $KBr + Al(OH)_3\downarrow + H_2O$ | Разрушается только щелочная оболочка |
| $+ HBr$ (избыток) | $KBr + AlBr_3 + H_2O$ | Обе части вступают в реакцию нейтрализации |
Разбор заданий
Пример 1
Среди предложенных формул веществ выберите формулы:
А) кислой соли; Б) основания; В) амфотерного гидроксида.
- $Zn(OH)_2$.
- $Ca(HCO_3)_2$.
- $Na_2SO_4$.
- $(CuOH)_2CO_3$.
- $KOH$.
- Буква А. Кислая соль имеет ионы водорода в кислотном остатке. Из предложенных вариантов подходит 2: $Ca(HCO_3)_2$ — гидрокарбонат кальция.
- Буква Б. Основание содержит гидроксогруппы с металлом со степенью окисления +1 или +2 (кроме амфотерных). Под это описание подходит $KOH$ (вариант 5).
- Буква В. Амфотерный гидроксид — $Zn(OH)_2$ (вариант 1). Вещество под номером 3 является средней солью, под номером 4 — основной солью.
Ответ: 251.
Пример 2
Установите соответствие между реагирующими веществами и возможными продуктами реакции.
А) $Na[Al(OH)_4] + HCl_{\text{(изб)}} \rightarrow$
Б) $Na[Al(OH)_4] + CO_2 \rightarrow$
В) $NaHCO_3 + NaOH \rightarrow$Варианты ответа:
- $NaOH,\, AlCl_3,\, H_2O$.
- $NaHCO_3,\, Al(OH)_3$.
- $NaHCO_3,\, Al_2O_3,\, H_2O$.
- $Na_2CO_3,\, H_2O$.
- $NaCl,\, AlCl_3,\, H_2O$.
- Буква А. В условии указан избыток сильной кислоты. Избыток сильной кислоты полностью разрушает комплекс до свободных катионов алюминия и натрия. Ожидаемый результат: образование $NaCl + AlCl_3 + H_2O$. Вариант 5.
- Буква Б. Слабая угольная кислота осаждает алюминий и формирует кислую соль, так как газ подаётся в свободном виде и находится в избытке. Ожидаемый результат: образование $NaHCO_3 + Al(OH)_3\downarrow$. Вариант 2.
- Буква В. Происходит нейтрализация кислой соли щёлочью с переводом её в среднюю соль. Ожидаемый результат: образование $Na_2CO_3 + H_2O$. Вариант 4.
Ответ: 524.
Пример 3
Алюминий поместили в раствор гидроксида калия. К полученному прозрачному раствору прилили избыток бромоводородной кислоты. Образовавшуюся соль алюминия выделили и смешали с раствором карбоната калия, в результате чего образовался белый осадок и выделился газ. Газ пропустили через недостаток раствора гидроксида натрия. Напишите уравнения четырёх описанных реакций.
- Алюминий реагирует со щёлочью с выделением водорода. Образуется растворимая комплексная соль.
$2Al + 2KOH + 6H_2O \rightarrow 2K[Al(OH)_4] + 3H_2\uparrow$ - Добавление избытка бромоводородной кислоты приводит к разрушению комплексной соли до двух средних солей.
$K[Al(OH)_4] + 4HBr \rightarrow KBr + AlBr_3 + 4H_2O$ - Выделенная соль алюминия — бромид алюминия. Смешивание её с раствором карбоната калия приводит к совместному гидролизу с образованием осадка гидроксида и выделением углекислого газа.
$2AlBr_3 + 3K_2CO_3 + 3H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3\downarrow + 3CO_2\uparrow + 6KBr$ - Углекислый газ пропускают через недостаток раствора натриевой щёлочи. Значит, кислотный оксид был в избытке. Образуется кислая соль.
$CO_2 + NaOH \rightarrow NaHCO_3$
Типичные ловушки ЕГЭ и как их обойти
В экзаменационных работах часто встречаются повторяющиеся ошибки при написании реакций с солями сложного строения. Разберём основные ловушки.
- Ловушка 1: образование средней соли при разрушении комплекса углекислым газом.
Многие пишут реакцию так: $Na[Al(OH)_4] + CO_2 \rightarrow Na_2CO_3 + Al(OH)_3 + H_2O$.
Это неверно. При пропускании углекислого газа через раствор он всегда находится в избытке по отношению к образующемуся карбонату. А избыток $CO_2$ переводит возможную среднюю углекислую соль в кислую. Правильный продукт — исключительно гидрокарбонат $NaHCO_3$. - Ловушка 2: реакция гидросульфатов с солями бария.
Бывает, что реакцию $NaHSO_4 + BaCl_2$ считают невозможной (из-за отсутствия нерастворимых реагентов) или пытаются сформировать кислую соль $Ba(HSO_4)_2$.
Гидросульфат натрия — сильный электролит по обеим ступеням. Он работает в обменных реакциях так же жёстко, как и сама серная кислота. Катионы бария мгновенно осаждают сульфат. Правильное уравнение: $2NaHSO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4\downarrow + Na_2SO_4 + 2HCl$. - Ловушка 3: совместный гидролиз с кислыми солями.
Может показаться, что реакция $AlCl_3 + NaHCO_3$ не пойдёт, либо приведёт к образованию $Al(HCO_3)_3$. В действительности ионы алюминия не могут существовать в одном растворе с гидрокарбонатами. Происходит выталкивание углекислого газа и осаждение амфотерного гидроксида: $AlCl_3 + 3NaHCO_3 \rightarrow Al(OH)_3\downarrow + 3CO_2\uparrow + 3NaCl$.
Заключение
Теперь ты знаешь, как протекают реакции с участием кислых, основных и комплексных солей. Понимание избытка и недостатка реагентов поможет тебе безошибочно писать уравнения совместного гидролиза и реакций обмена. Чтобы закрепить материал и довести навык решения заданий 5–9, 30 и 31 до автоматизма, порешай аналогичные задачи в «100балльном банке».
