Свойства средних солей и способы их получения нужны для успешного решения заданий ЕГЭ по химии. Ошибки в этой теме обычно возникают из-за непонимания закономерностей реакций ионного обмена и окислительно-восстановительных процессов. Разберём необходимую теорию, отработаем на конкретных примерах сложные реакции разложения и гидролиза, а также научимся обходить типичные ловушки экзамена.
В каких заданиях ЕГЭ встречается тема
Знание этой темы потребуется в нескольких номерах КИМ:
- задания 6 и 7: предсказание возможности протекания реакций между неорганическими веществами;
- задание 8: установление соответствия между исходными веществами и продуктами реакции;
- задание 9: мысленное осуществление цепочки превращений;
- задание 24: качественные реакции на ионы;
- задание 29: окислительно-восстановительные реакции;
- задание 30: реакции ионного обмена;
- задание 31: написание уравнений реакций по текстовому описанию.
Особые трудности обычно вызывают реакции совместного гидролиза, взаимодействие сульфидов с кислотами-окислителями и специфические случаи термического разложения нитратов.
Общие представления о средних солях
Средние соли представляют собой продукты полного замещения атомов водорода в молекуле кислоты на атомы металла или катион аммония. В их составе присутствуют только катионы металла или аммония и анионы кислотного остатка.
Обычно это твёрдые кристаллические вещества с высокими температурами плавления. Растворимость в воде сильно варьируется. В растворе или расплаве эти вещества проводят электрический ток. Цвет солей зависит от природы катиона и аниона.
| Вещество или ион | Окраска водного раствора или осадка |
|---|---|
| соли $Cu^{2+}$ | растворы голубые; $CuS$ чёрный |
| соли $Fe^{2+}$ | растворы бледно-зелёные |
| соли $Fe^{3+}$ | растворы жёлто-бурые |
| хроматы ($CrO_4^{2-}$) | жёлтые |
| дихроматы ($Cr_2O_7^{2-}$) | оранжевые |
| сульфиды ($Ag_2S$, $PbS$, $CuS$) | чёрные осадки |
| $AgCl$, $BaSO_4$, $CaCO_3$ | белые осадки |
| $AgI$, $AgBr$, $Ag_3PO_4$, $PbI_2$ | жёлтые осадки |
Характерные химические свойства средних солей
Перейдём к основным типам химических реакций.
Взаимодействие с простыми веществами
С металлами
Более активный металл, стоящий в электрохимическом ряду напряжений левее, вытесняет менее активный из водного раствора его соли. Обязательное условие: оба металла не должны быть щелочными или щёлочноземельными, иначе они вступят в реакцию с водой, а не с солью.
$Fe + CuSO_4 \rightarrow FeSO_4 + Cu$
$Zn + 2AgNO_3 \rightarrow Zn(NO_3)_2 + 2Ag$
$Cu + 2AgNO_3 \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2Ag$
С неметаллами
Более активные галогены вытесняют менее активные галогены или серу из галогенидов и сульфидов.
$Cl_2 + 2KI \rightarrow 2KCl + I_2$
$Br_2 + 2NaI \rightarrow 2NaBr + I_2$
$Cl_2 + 2NaBr \rightarrow 2NaCl + Br_2$
Углерод при нагревании способен восстанавливать сульфаты до сульфидов.
$BaSO_4 + 4C \xrightarrow{t} BaS + 4CO$
Реакции с водой (гидролиз сульфидов)
Средние соли, образованные слабыми основаниями и слабыми кислотами (например, сульфиды алюминия и хрома(III)), в водной среде подвергаются полному необратимому гидролизу. В таблице растворимости на их месте стоит прочерк.
$Al_2S_3 + 6H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3\downarrow + 3H_2S\uparrow$
$Cr_2S_3 + 6H_2O \rightarrow 2Cr(OH)_3\downarrow + 3H_2S\uparrow$
Реакции с оксидами
- С основными оксидами реакции не протекают.
- С амфотерными оксидами в водных растворах реакции не протекают.
Однако при сплавлении амфотерные оксиды реагируют с карбонатами и сульфитами щелочных металлов, вытесняя летучий оксид.
$Na_2CO_3 + ZnO \xrightarrow{t} Na_2ZnO_2 + CO_2\uparrow$
$K_2CO_3 + Al_2O_3 \xrightarrow{t} 2KAlO_2 + CO_2\uparrow$
- С кислотными оксидами в водных растворах соли реагируют только с образованием кислых солей.
$CaCO_3 + CO_2 + H_2O \rightarrow Ca(HCO_3)_2$
При сплавлении менее летучий кислотный оксид (например, диоксид кремния) вытесняет более летучий.
$CaCO_3 + SiO_2 \xrightarrow{t} CaSiO_3 + CO_2\uparrow$
Реакции с кислотами-неокислителями
Более сильная кислота вытесняет более слабую. Реакция идёт до конца, если образуется осадок, выделяется газ или получается другой слабый электролит (например, слабая кислота).
$Na_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + CO_2\uparrow + H_2O$
$K_2S + H_2SO_4 \rightarrow K_2SO_4 + H_2S\uparrow$
$BaCl_2 + H_2SO_4 \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2HCl$
$AgNO_3 + HCl \rightarrow AgCl\downarrow + HNO_3$
Сероводород может вытеснять более сильные кислоты из солей, если соль образована металлом, стоящим после железа в ряду активности. В результате реакции образуются осадки так называемых суровых сульфидов.
$Pb(NO_3)_2 + H_2S \rightarrow PbS \downarrow + 2HNO_3$
Реакции с кислотами-окислителями
Концентрированная серная кислота и концентрированная или разбавленная азотная кислота вступают в окислительно-восстановительные реакции с солями, содержащими восстановитель (ионы $S^{2-}$, $I^{-}$, $Br^{-}$, $Fe^{2+}$).
С концентрированной серной кислотой
Иодиды восстанавливают серу до степени окисления $-2$, в реакциях с другими восстановителями получается оксид серы (IV).
$8KI + 5H_2SO_4 \text{ (конц.)} \rightarrow 4K_2SO_4 + 4I_2\downarrow + H_2S\uparrow + 4H_2O$
$2KBr + 2H_2SO_4 \text{ (конц.)} \rightarrow K_2SO_4 + Br_2 + SO_2\uparrow + 2H_2O$
$2FeSO_4 + 2H_2SO_4 \text{ (конц.)} \xrightarrow{t} Fe_2(SO_4)_3 + SO_2\uparrow + 2H_2O$
Соли с хлоридным ионом окисляются с трудом, в реакциях с твёрдыми хлоридами происходит обмен с выделением газообразного хлороводорода.
$2NaCl \text{ (тв.)} + H_2SO_4 \text{ (конц.)} \xrightarrow{t} Na_2SO_4 + 2HCl\uparrow$
С азотной кислотой
Продукты восстановления зависят от концентрации кислоты. Чем разбавленнее азотная кислота, тем глубже идёт процесс восстановления азота.
$FeCO_3 + 4HNO_3 \text{ (конц.)} \rightarrow Fe(NO_3)_3 + NO_2\uparrow + CO_2\uparrow + 2H_2O$
$3CuS + 8HNO_3 \text{ (разб.)} \xrightarrow{t} 3Cu(NO_3)_2 + 3S\downarrow + 2NO\uparrow + 4H_2O$
$CuS + 8HNO_3 \text{ (конц.)} \rightarrow CuSO_4 + 8NO_2\uparrow + 4H_2O$
$6KI + 8HNO_3 \text{ (разб.)} \rightarrow 6KNO_3 + 3I_2\downarrow + 2NO\uparrow + 4H_2O$
Реакции с основаниями
Соли реагируют только с растворимыми основаниями (щелочами). Исходная соль при этом тоже должна быть растворимой. Реакция идёт, если образуется осадок или выделяется газ.
$CuSO_4 + 2KOH \rightarrow Cu(OH)_2\downarrow + K_2SO_4$
$FeCl_3 + 3NaOH \rightarrow Fe(OH)_3\downarrow + 3NaCl$
Качественная реакция на ион аммония:
$NH_4Cl + NaOH \xrightarrow{t} NaCl + NH_3\uparrow + H_2O$
$(NH_4)_2SO_4 + Ba(OH)_2 \xrightarrow{t} BaSO_4\downarrow + 2NH_3\uparrow + 2H_2O$
Реакции с амфотерными гидроксидами
Средние соли не вступают в реакцию с амфотерными гидроксидами.
Реакции с другими солями
Две растворимые соли вступают в реакцию ионного обмена, если среди продуктов есть осадок.
$BaCl_2 + K_2SO_4 \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2KCl$
$AgNO_3 + NaBr \rightarrow AgBr\downarrow + NaNO_3$
$CaCl_2 + Na_2CO_3 \rightarrow CaCO_3\downarrow + 2NaCl$
Совместный гидролиз
Если смешать растворы соли, образованной слабым основанием ($Al^{3+}$, $Fe^{3+}$, $Cr^{3+}$), и соли, образованной слабой летучей кислотой (карбонаты, сульфиты, сульфиды), происходит взаимное усиление гидролиза. Продуктами выступают гидроксид слабого металла, газ и новая средняя соль.
$2FeCl_3 + 3Na_2CO_3 + 3H_2O \rightarrow 2Fe(OH)_3\downarrow + 3CO_2\uparrow + 6NaCl$
$2Al(NO_3)_3 + 3K_2S + 6H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3\downarrow + 3H_2S\uparrow + 6KNO_3$
$2CrBr_3 + 3K_2SO_3 + 3H_2O \rightarrow 2Cr(OH)_3\downarrow + 3SO_2\uparrow + 6KBr$
При смешивании растворов сульфитов или сульфидов с солями железа(III) происходит окислительно-восстановительная реакция.
$Fe_2(SO_4)_3 + 3K_2S \rightarrow 2FeS + S + 3K_2SO_4$
$2FeCl_3 + Na_2SO_3 + H_2O \rightarrow 2FeCl_2 + Na_2SO_4 + 2HCl$
Реакции разложения солей
Карбонаты
Нерастворимые карбонаты разлагаются при нагревании на оксид металла и углекислый газ.
$CaCO_3 \xrightarrow{t} CaO + CO_2\uparrow$
$MgCO_3 \xrightarrow{t} MgO + CO_2\uparrow$
Сульфиты
Нерастворимые сульфиты разлагаются аналогично карбонатам.
$CaSO_3 \xrightarrow{t} CaO + SO_2\uparrow$
Нитраты
Продукты термического разложения нитратов зависят от активности металла.
Таблица 2. Правила термического разложения нитратов
| Положение металла в электрохимическом ряду | Схема разложения | Пример реакции |
|---|---|---|
| левее $Mg$ (кроме $Li$) | соль $\rightarrow$ нитрит + кислород | $2KNO_3 \xrightarrow{t} 2KNO_2 + O_2\uparrow$ |
| от $Mg$ до $Cu$ включительно и $Li$ | соль $\rightarrow$ оксид + $NO_2$ + кислород | $2Cu(NO_3)_2 \xrightarrow{t} 2CuO + 4NO_2\uparrow + O_2\uparrow$ $4LiNO_3 \xrightarrow{t} 2Li_2O + 4NO_2\uparrow + O_2\uparrow$ |
| правее $Cu$ (благородные) | соль $\rightarrow$ металл + $NO_2$ + кислород | $2AgNO_3 \xrightarrow{t} 2Ag + 2NO_2\uparrow + O_2\uparrow$ |
Отдельное внимание нужно уделить особым случаям на экзамене, например, разложению нитратов железа(II) и марганца(II). Происходит окисление металла выделяющимся кислородом.
$4Fe(NO_3)_2 \xrightarrow{t} 2Fe_2O_3 + 8NO_2\uparrow + O_2\uparrow$
$Mn(NO_3)_2 \xrightarrow{t} MnO_2 + 2NO_2\uparrow$
Разложение солей аммония
Реакции протекают индивидуально в зависимости от природы кислотного остатка.
$NH_4NO_3 \xrightarrow{t} N_2O\uparrow + 2H_2O$
$NH_4NO_2 \xrightarrow{t} N_2\uparrow + 2H_2O$
$NH_4Cl \xrightarrow{t} NH_3\uparrow + HCl\uparrow$
$(NH_4)_2CO_3 \xrightarrow{t} 2NH_3\uparrow + CO_2\uparrow + H_2O$
Разложение дихромата аммония (реакция «химический вулкан»):
$(NH_4)_2Cr_2O_7 \xrightarrow{t} N_2\uparrow + Cr_2O_3 + 4H_2O$
Разложение бертолетовой соли (хлората калия)
В присутствии катализатора $MnO_2$:
$2KClO_3 \xrightarrow{t,\, MnO_2} 2KCl + 3O_2\uparrow$
Без катализатора процесс идёт через диспропорционирование:
$4KClO_3 \xrightarrow{t} 3KClO_4 + KCl$
Способы получения солей
Взаимодействие простых веществ (получение бинарных солей)
$2Fe + 3Cl_2 \xrightarrow{t} 2FeCl_3$
$Fe + S \xrightarrow{t} FeS$
$2Al + 3Br_2 \xrightarrow{t} 2AlBr_3$
Реакции ионного обмена
Сюда относятся классические реакции нейтрализации и взаимодействия солей друг с другом.
Кислота + основание $\rightarrow$ соль + вода:
$H_2SO_4 + 2NaOH \rightarrow Na_2SO_4 + 2H_2O$
Кислота + соль $\rightarrow$ новая кислота + новая соль:
$3H_2SO_4 + Ca_3(PO_4)_2 \rightarrow 3CaSO_4\downarrow + 2H_3PO_4$
Щёлочь + соль $\rightarrow$ нерастворимый гидроксид + новая соль:
$2NaOH + CuCl_2 \rightarrow Cu(OH)_2 \downarrow + 2NaCl$
Соль + соль $\rightarrow$ новая соль + новая соль:
$BaCl_2 + Na_2SO_4 \rightarrow 2NaCl + BaSO_4 \downarrow$
Другие реакции обмена:
Кислота + основный оксид $\rightarrow$ соль + вода:
$2HCl + CuO \rightarrow CuCl_2 + H_2O$
Щёлочь + кислотный оксид $\rightarrow$ соль + вода (при избытке щёлочи):
$2KOH + CO_2 \rightarrow K_2CO_3 + H_2O$
Реакции между оксидами
Основный оксид взаимодействует с кислотным с образованием соли. Реакция характерна для оксидов активных металлов или протекает при сплавлении.
$CaO + CO_2 \rightarrow CaCO_3$
$Na_2O + SO_3 \rightarrow Na_2SO_4$
Взаимосвязи основных неорганических классов можно представить в виде обобщающей таблицы.
Таблица 3. Генетические связи, приводящие к образованию средних солей
| Исходные реагенты | Продукт реакции | Условия |
|---|---|---|
| металл + неметалл | бинарная соль | часто требует нагревания |
| металл + кислота | соль + водород | металл должен стоять до водорода |
| основный оксид + кислотный оксид | соль | для амфотерных применяется сплавление |
| кислота + основание | соль + вода | реакция нейтрализации |
| соль + соль | две новые соли | обе соли растворимы, нужен осадок |
Типичные ошибки на ЕГЭ
Разберём основные ловушки, в которые часто попадают на экзамене при работе со свойствами солей.
- Ловушка с щелочным металлом и раствором соли. Применяют в лоб правило «активный вытесняет менее активный» и пишут реакцию $2Na + CuSO_4 \rightarrow Na_2SO_4 + Cu$. В водном растворе натрий вступит в реакцию с водой. Начнётся выделение водорода, и только образовавшаяся щёлочь прореагирует с медью. Происходят следующие процессы:
$2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2\uparrow$
$2NaOH + CuSO_4 \rightarrow Cu(OH)_2\downarrow + Na_2SO_4$
- Ловушка с термическим разложением нитрата железа(II). Часто в продуктах записывают $FeO$, так как следуют общей схеме таблицы без учёта способности кислорода окислять железо в момент выделения. В продуктах обязательно нужно указывать оксид железа(III).
$4Fe(NO_3)_2 \xrightarrow{t} 2Fe_2O_3 + 8NO_2\uparrow + O_2\uparrow$
- Ловушка с нерастворимыми солями. Соли вступают в реакцию с щелочами, только если исходная соль растворима в воде. Поэтому реакция $BaSO_4 + 2KOH \rightarrow Ba(OH)_2 + K_2SO_4$ невозможна. Сульфат бария нерастворим.
- Игнорирование совместного гидролиза. Ошибочно записывают продукт $Cr_2(CO_3)_3$ при смешивании хлорида хрома(III) и карбоната калия. Карбонат хрома(III) не существует в водной среде. Протекает совместный гидролиз с выпадением амфотерного гидроксида и выделением пузырьков углекислого газа.
$2CrCl_3 + 3K_2CO_3 + 3H_2O \rightarrow 2Cr(OH)_3\downarrow + 3CO_2\uparrow + 6KCl$
Примеры заданий ЕГЭ с пошаговым решением
Закрепим теорию на примерах заданий формата ЕГЭ.
Пример 1. Установление реакционной способности (задание 7)
Установите соответствие между формулой вещества и реагентами, с каждым из которых это вещество может взаимодействовать. Дано вещество: $Na_2CO_3$. Варианты реагентов:
1. $HNO_3$, $CO$, $H_2$.
2. $NH_3$, $KOH$, $Fe$.
3. $H_2$, $O_2$, $Cl_2$.
4. $BaCl_2$, $H_2SO_4$, $SiO_2$.
5. $Fe_2O_3$, $H_2S$, $N_2$.
Заданное вещество — растворимая средняя соль слабой летучей кислоты. Проверим предложенные ряды.
В первом ряду есть газы: угарный газ и водород. Карбонат натрия с ними не реагирует.
Второй ряд содержит щёлочь $KOH$. Для протекания реакции обмена со щёлочью нужен осадок или газ. $Na_2CO_3 + KOH$ не даёт осадка, значит, реакция не идёт.
Третий ряд содержит кислород и водород. Карбонаты не реагируют с водородом и простыми неметаллами в растворах.
Проверим четвёртый ряд:
$Na_2CO_3 + BaCl_2 \rightarrow BaCO_3\downarrow + 2NaCl$ (ионный обмен с выпадением белого осадка).
$Na_2CO_3 + H_2SO_4 \rightarrow Na_2SO_4 + CO_2\uparrow + H_2O$ (сильная кислота вытесняет слабую).
$Na_2CO_3 + SiO_2 \xrightarrow{t} Na_2SiO_3 + CO_2\uparrow$ (при сплавлении нелетучий диоксид кремния вытесняет углекислый газ).
Пятый ряд не подходит, так как содержит азот, с которым карбонаты не реагируют.
Ответ: 4.
Пример 2. Реакции из текстового описания (задание 31)
Нитрат бария добавили к раствору сульфата железа(III). Образовавшийся при этом осадок отделили, а к фильтрату добавили раствор карбоната натрия. Опишите весь процесс уравнениями.
Шаг 1. Взаимодействие нитрата бария и сульфата железа(III). У нас есть две растворимые соли. При обмене катионов выпадает осадок сульфата бария, что является качественной реакцией.
$3Ba(NO_3)_2 + Fe_2(SO_4)_3 \rightarrow 3BaSO_4\downarrow + 2Fe(NO_3)_3$
Шаг 2. Анализ фильтрата. Фильтрат — это жидкая часть, оставшаяся после отделения осадка. В данном случае это раствор нитрата железа(III).
Шаг 3. Взаимодействие $Fe(NO_3)_3$ с карбонатом натрия. Это соли слабого основания и слабой кислоты. Реакция пойдёт по пути совместного полного гидролиза.
$2Fe(NO_3)_3 + 3Na_2CO_3 + 3H_2O \rightarrow 2Fe(OH)_3\downarrow + 3CO_2\uparrow + 6NaNO_3$
Заключение
Теперь ты знаешь, как средние соли взаимодействуют с другими классами неорганических веществ и какие продукты при этом образуются. Самая частая ошибка — забывать про условия полного совместного гидролиза и реакции окисления-восстановления при участии азотной и серной кислот. Запомни эти исключения, чтобы не терять баллы во второй части ЕГЭ. Чтобы закрепить тему, рекомендуем решить 8–10 заданий на разобранную тему в «100балльном банке».
