Химические свойства и способы получения гидроксидов для ЕГЭ по химии

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.

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.

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:

Фтор вытесняет кислород:

С серой и фосфором щёлочи реагируют при нагревании:

С кремнием щёлочи реагируют с выделением водорода:

Из металлов с щелочами реагируют только амфотерные металлы ($Al, Zn, Be$). В растворах щелочей получаются комплексные соли, а при сплавлении — средние.

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):

Нерастворимые основания реагируют только с кислотными оксидами, которые соответствуют сильным кислотам ($SO_3, N_2O_5$):

С амфотерными оксидами реагируют только щёлочи. При сплавлении образуется средняя соль, в растворе — комплексная:

Реакции с кислотами-неокислителями

Происходит типичная реакция нейтрализации. Реагируют как сильные, так и нерастворимые основания:

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:

Если металл в гидроксиде может повысить степень окисления, протекает ОВР:

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:

(расплав)

(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:

Нерастворимые основания с солями не реагируют.

Реакции разложения

Термическое разложение свойственно только нерастворимым основаниям и гидроксиду лития.

Они разлагаются на оксид и воду:

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:

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:

Кислоты-окислители реагируют с некоторыми неметаллами ($S, C, P$ и $I_2$) с образованием высшей кислоты этого неметалла:

Галогенводороды и сероводород могут вступать в реакции замещения с более активным галогеном:

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:

Реакции с кислотами

Между собой кислоты не реагируют. Исключение составляют ОВР между кислотой-окислителем и кислотой-восстановителем:

Реакции с основаниями

Классическая реакция нейтрализации протекает в любых условиях. Растворимые и нерастворимые основания реагируют с большинством кислот:

Реакции с амфотерными гидроксидами

Кислоты легко растворяют амфотерные гидроксиды с получением средних солей:

Реакции с солями

Кислоты вытесняют более слабые или летучие кислоты из их солей, а также вступают в реакции обмена с образованием осадка:

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:

Кремниевая кислота разлагается на оксид и воду:

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:

Реакция возможна только с оксидами активных металлов.

Из кислотных оксидов в реакцию с амфотерными гидроксидами могут вступать только оксиды, соответствующие сильным кислотам (например, $SO_3, N_2O_5$):

С амфотерными оксидами реакции не протекают.

Реакции с кислотами

Амфотерные гидроксиды выступают классическими основаниями, образуя соли:

Реакции с основаниями

Взаимодействие идёт только с щелочами. Как обсуждалось ранее, продукт зависит от условий процесса.

Сплавление:

В растворе:

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:

Реакции разложения

Термическое разложение амфотерных гидроксидов приводит к образованию оксида и воды:

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:

Кислотные оксиды (ангидриды кислот) при растворении в воде дают кислотные гидроксиды:

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:

Амфотерные гидроксиды часто получают в реакциях соответствующих солей с раствором аммиака:

Слабые кислоты можно получить реакцией более сильной кислоты с солью:

Электролиз растворов солей

В промышленности щёлочи часто получают электролизом растворов хлоридов металлов IA или IIA группы:

Водород выделяется на катоде, галоген — на аноде, а в околокатодном пространстве накапливается гидроксид.

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.

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. $PH_3$.

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. $HBr, LiOH, CH_3COOH$.

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. $Al(OH)_3$.

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».