8.04 Металлы основных подгрупп и амфотерные соединения

Рассмотрим реакции и продукты, выделяющиеся в этой реакции:

А) Al₂O₃ + 2KOH + 3H₂O → 2K[Al(OH)₄]

Взаимодействие амфотерного оксида алюминия с гидроксидом калия в присутствии воды. Происходит полное образование комплексной соли.

Б) 2KOH + Al₂O₃ → H₂O + 2KAlO₂

Сплавление амфотерного оксида алюминия с твердым гидроксидом калия. В результате образуется безводная средняя соль - алюминат калия, у которого катион от щелочи, а анион - от оксида, образующаяся вода испаряется.

В) 2Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 3H₂O

Разложение нерастворимого гидроксида. Разложение происходит до соответствующего оксида и воды.

Г) 2Al + 3H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 3H₂
Взаимодействие активного металла с серной кислотой. Различают реакции с серной разбавленной кислотой и с серной концентрированной кислотой. При реакции с серной разбавленной кислотой происходит типичная реакция замещения: алюминий замещает собой водород в кислоте, образуя соль - сульфат алюминия. В случае с концентрированной кислотой будет происходить окислительно-восстановительная реакция, в результате которой выделится, помимо основных продуктов, дополнительный серосодержащий продукт. Однако в предложенном в условии задачи списке продуктов нет продуктов с дополнительным серосодержащим веществом. Поэтому можно сделать вывод, что данная реакция происходит с разбавленной серной кислотой. В результате такой реакции выделяется водород и сульфат алюминия, такие продукты есть в списке.

Таким образом, в реакции А образуется K[Al(OH)₄], в реакции Б - KAlO₂ + H₂O, в реакции В - Al₂O₃ + H₂O, в реакции Г - Al₂(SO₄)₃ + H₂.

Соотнося буквы и цифры, получаем: 

А) - 5; Б) - 4; В) - 2; Г) - 6.

Переводим этот предварительный ответ в последовательность цифр, соответствующих нужным продуктам реакции.

А) 3H₂O + 2KOH + Al₂O₃ → 2K[Al(OH)₄]

Реакция соединения. Так как у нас имеется оксид алюминия то реакция будет протекать в растворе именно так.

Б) 3K₂S + 2AlCl₃ + 6H₂O → 3H₂S + 6KCl + 2Al(OH)₃

Сначала реагируют обе соли друг с другом, образуя хлорид калия и сульфид алюминия. В растворе промежуточный сульфид алюминия подвергается гидролизу с образованием газа и осадка гидроксида алюминия.

В) AlCl₃ + 3NH₃ + 3H₂O → Al(OH)₃ + 3NH₄Cl 

Типичная реакция ионного обмена. Для удобства условно представим гидрат аммиака как NH₄OH (для простоты, в реакциях так писать не надо). Катион алюминия соединяется с гидроксид-анионом, образуя осадок - гидроксид алюминия. Катион аммония соединяется с хлорид-анионом, образуя хлорид аммония.

Г) 6H₂O + 2KOH + 2Al → 3H₂ + 2K[Al(OH)₄]

Так как имеется чистый алюминий, он будет реагировать с водой как типичный активный металл, образуя свой гидроксид и водород, полученный гидроксид алюминия будет мгновенно реагировать с гидроксидом калия, образуя тетрагидроалюминат калия. Гидроксид алюминия прореагирует весь, а по итогу в сумме двух промежуточных, но единовременных реакций получится комплексная соль и водород.

Таким образом, А) - 1; Б) - 4; В) - 5; Г) - 2. 

Переводим этот предварительный ответ в последовательность цифр, соответствующих нужным продуктам реакции.

А) Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂ 
Более сильная кислота (соляная) вытесняет слабую кислоту (угольную) из соли, в результате чего образуется соль сильной кислоты и слабая кислота, которая в данном случае распадает на воду и углекислый газ.
Б) Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O → 2NaHCO₃ 
В результате закисления среды образуется кислая соль угольной кислоты.
В) NaHCO₃ + HCl → NaCl + H₂O + CO₂ 
Более сильная кислота (соляная) вытесняет слабую кислоту (угольную) из соли, в результате чего образуется соль сильной кислоты и слабая кислота, которая в данном случае распадает на воду и углекислый газ. 
Г) Na₂CO₃ + CaCl₂ → 2NaCl + CaCO₃ 
Реакция ионного обмена, карбонат-ион соединяется с ионом кальция, в результате чего образуется белый осадок - карбонат кальция. 

Рассмотрим реакции и продукты, выделяющиеся в этой реакции:

А) H₂O + CO₂ + CaCO₃ → Ca(HCO₃)₂

"Закисление" средней соли. Сочетание воды и углекислого газа образует угольную кислоту (H₂CO₃). При взаимодействии кислоты и средней соли с соответствующим кислотным остатком получается соответствующая кислая соль.

Б) Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃ + CO₂ + H₂O

Термическое разложение гидрокарбоната кальция. Разложение гидрокарбонатов протекает до соответствующего карбоната, воды и углекислого газа. 

В) Ca(HCO₃)₂ + 2HNO₃ → 2H₂O + 2CO₂ + Ca(NO₃)₂

Реакция ионного обмена, т.к. вещества обмениваются друг с другом "частями" - ионами, без изменения степени окисления. Гидрокарбонат кальция распадается на катион кальция и гидрокарбонат-анион, азотная кислота распадается на катион водорода и нитрат-анион. При ионном обмене гидрокарбонат-анион соединяется с катионом другого вещества (азотной кислоты), т.е. катионом водорода, образуя угольную кислоту. Нитрат-анион аналогично соединяется с катионом кальция, образуя нитрат кальция. Следовательно, при этом взаимодействии получаются угольная кислота и нитрат кальция. Однако, угольная кислота не стабильная и распадается на углекислый газ и воду. Записываем конечные продукты реакции.

Г) 10HNO₃ + 4Ca → 4Ca(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O

Кальций - активный металл, располагается в ряду активности металлов левее алюминия. Реакция разбавленной азотной кислоты - кислоты-окислителя с активными металлами идет по особой схеме. Происходит окислительно-восстановительная реакция (ОВР). Кальций - восстановитель, азотная кислота - окислитель. Такая реакция протекает с образованием нитрата металла, воды и специфического азотного продукта - азота или оксида азота (I), если кислота не сильно разбавленная. Однако, если же кислота сильно разбавленная, то специфичным продуктом будет нитрат аммиака. Определить степень разбавленности кислоты возможно, для этого достаточно проанализировать вторую колонку с продуктами реакций. Не забываем, что обязательный продукт нашей реакции - нитрат металла, то есть кальция, нужно ориентироваться на него. Нитрат кальция присутствует среди продуктов под цифрами 2,4,6, однако еще и азотный продукт присутствует под цифрами 4 и 6. Среди азотного продукта нам предлагают либо NO₂, либо NH₄NO₃. Ранее из этих двух веществ мы упоминали нитрат аммиака, который получается при взаимодействии металла с очень разбавленной азотной кислотой, значит нам подходит именно этот вариант. NO₂ получается в основном при взаимодействии менее активных металлов с концентрированной кислотой, он нам не подходит.

Соотнося буквы и цифры, получаем: 

А) - 3; Б) - 5; В) - 1; Г) - 6.

Переводим этот предварительный ответ в последовательность цифр, соответствующих нужным продуктам реакции.

А) BaO + SO₂ → BaSO₃

Реакция между оксидом бария и оксидом серы (IV). Реакция присоединения: происходит взаимодействие между основным оксидом и кислотным оксидом с образованием одного вещества - средней соли, степень окисления у атомов в составе веществ остается неизменной, поэтому сера в степени окисления +4 в составе оксида серы сохраняет свою степень окисления и в сульфите бария.

Б) Ba(OH)₂ + SO₂ → BaSO₃ + H₂O

Реакция между гидроксидом бария и оксидом серы (IV). Реакция обмена кислотно-основного характера: происходит взаимодействие между щелочью и кислотным оксидом с образованием средней соли и воды, степень окисления у атомов в составе веществ остается неизменной, поэтому сера в степени окисления +4 в составе оксида серы сохраняет свою степень окисления и в сульфите бария.

В) BaO + SO₃ → BaSO₄

Реакция между оксидом бария и оксидом серы (VI). Реакция присоединения: происходит взаимодействие между основным оксидом и кислотным оксидом с образованием одного вещества - средней соли, степень окисления у атомов в составе веществ остается неизменной, поэтому сера в степени окисления +6 в составе оксида серы сохраняет свою степень окисления и в сульфате бария.

Г) BaO + H₂SO₄ → BaSO₄ + H₂O

Реакция между оксидом бария и серной кислотой. Реакция обмена кислотно-основного характера: происходит взаимодействие между основным оксидом и кислотой с образованием средней соли и воды, степень окисления у атомов в составе веществ остается неизменной, поэтому сера в степени окисления +6 в составе кислоты сохраняет свою степень окисления и в сульфате бария.

Соотнося буквы и цифры, получаем: А) - 2; Б) - 4; В) - 5; Г) - 6.

Переводим этот предварительный ответ в последовательность цифр, соответствующих нужным продуктам реакции.

А) 4Ca + 5H₂SO₄ → 4CaSO₄ + H₂S + 4H₂O

Растворение кальция в концентрированной серной кислоте. Окислительно-восстановительная реакция (ОВР). Реакция концентрированной серной кислоты - кислоты-окислителя с металлами идет по особой схеме. Кальций - активный металл. Реакция концентрированной серной кислоты с активными металлами протекает с образованием сульфата металла, воды и специфического продукта - сероводорода.

Б) CaO + SO₃ → CaSO₄

Типичная реакция соединения основного оксида и кислотного оксида в одну соль.

В) Ca + H₂SO₄ → CaSO₄ + H₂

Раствор серной кислоты - не кислота-окислитель. Поэтому серная кислота в этой реакции проявляет типичные кислотные свойства. Происходит реакция замещения: кальций замещает водород из кислоты. В результате получаются сульфат кальция и водород, никаких специфичных продуктов не выделяется.

 Г) CaO + H₂SO₄ → CaSO₄ + H₂O

Растворение основного оксида кальция в серной кислоте. Реакция ионного обмена: вещества "обмениваются частями" без изменения степени окисления. Концентрация кислоты не влияет, так как кальций в оксиде кальция и так в максимальной степени окисления, он не может быть восстановителем, а без наличия восстановителя не может быть ОВР, даже с сильным окислителем (если рассмотреть случай, что серная кислота в этой реакции концентрированная).

Соотнося буквы и цифры, получаем: А) - 2; Б) - 4; В) - 5; Г) - 6.

Переводим этот предварительный ответ в последовательность цифр, соответствующих нужным продуктам реакции.

А) Na₂CO₃ + H₂O + CO₂ → 2NaHCO₃

"Закисление" средней соли. Углекислый газ, растворяясь в воде, временно становится угольной кислотой. При взаимодействии средней соли с кислотой, соответствующей ее кислотному остатку, получается соответсвующая кислая соль. Реакция соединения, побочных продуктов не образуется.

Б) Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + CO₂ + H₂O

Реакция ионного обмена. В результате этой реакции соль и кислота обменялись друг с другом "частями" - ионами, образующими соль. В результате получается хлорид натрия и угольная кислота (H₂CO₃), но так как угольная кислота нестабильная, то она быстро распадается до газообразного углекислого газа, выделяющегося из раствора и воды. Записываем конечный результат реакции.

В) Na₂CO₃ + CaCl₂ → 2NaCl + CaCO₃

Типичная реакция ионного обмена. В результате этой реакции соль и кислота обменялись друг с другом "частями" - ионами, образующими соль. В результате получается хлорид натрия и осадок в виде карбоната кальция.

Г) NaHCO₃ + HCl → H₂O + CO₂ + NaCl

Еще одна реакция ионного обмена. Стоит помнить, что здесь водород кислой соли является частью гидрокарбонат-аниона HCO₃^-. Тогда становится понятно, что вещества обмениваются ионами, H⁺ кислоты встречается с HCO₃^- , образуя угольную кислоту, которая распадается на CO₂ и воду, а хлорид-анион, встречаясь с катионом натрия образует хлорид натрия. Записываем конечный результат.

Таким образом, А) - 2; Б) - 6; В) - 1; Г) - 6.

Переводим этот предварительный ответ в последовательность цифр, соответствующих нужным продуктам реакции.

Допишем уравнения реакций и проанализируем их:

А) Fe₃O₄ + 8HCl → 2FeCl₃ + FeCl₂ + 4H₂O

Представим железную окалину (Fe₃O₄) как два оксида: Fe₂O₃ и FeO. Каждый из этих оксидов будет реагировать с соляной кислотой, следовательно, реакцию железной окалины с соляной кислотой можно представить как совокупность двух реакций: Fe₂O₃ + 6HCl → 2FeCl₃ + 3H₂O и FeO + 2HCl → FeCl₂ + H₂O. Обе реакции - реакции ионного обмена, т.к. вещества обмениваются друг с другом "частями" - ионами (оксиды железа не распадаются на ионы, они растворяются в кислоте, но "частями" обмениваются), без изменения степени окисления. Соляная кислота - не кислота-окислитель, поэтому она не будет повышать степень окисления у железа. Так как степени окисления не изменяются, то из соответсвующего оксида получается соответствующая соль. Из оксида железа (III), у которого железо в степени окисления +3 получается хлорид железа (III), где железо в такой же степени окисления, аналогично из оксида железа (II), где железо в степени окисления +2, получается соль с такой же степенью окисления. Совмещая обе составные реакции, получаем общее уравнение, характерное для всей окалины в целом. При взаимодействии окалины с соляной кислотой получаются вода и две соли: хлорид железа (III) и хлорид железа (II).

Б) Fe₂O₃ + 6HCl → 2FeCl₃ + 3H₂O

Одна из составных реакций взаимодействия железной окалины и соляной кислоты, механизм реакции описан в пункте А).

В) FeO + 2HCl → FeCl₂ + H₂O

Одна из составных реакций взаимодействия железной окалины и соляной кислоты, механизм реакции описан в пункте А).

Г) Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂

Железо - металл средней активности, стоящий в ряду напряжений металлов до водорода, поэтому с кислотами реагирует. Соляная кислота - не кислота-окислитель, поэтому не сможет железо выводить в высокую степень окисления. Происходит типичная реакция замещения. Железо замещает водород в составе кислоты. В результате получаются соль, где железо в промежуточной степени окисления +2 и водород.

Соотнося буквы и цифры, получаем: А) - 1; Б) - 2; В) - 3; Г) - 5.

Переводим этот предварительный ответ в последовательность цифр, соответствующих нужным продуктам реакции.

Рассмотрим реакции и продукты, выделяющиеся в этой реакции:

А) 2H₂O + CaC₂ → Ca(OH)₂ + C₂H₂

Специфичная реакция гидролиза. В результате гидролиза именно карбида кальция выделяются характерные для этого взаимодействия продукты: ацетилен и гидроксид кальция. Это необычная реакция гидролиза, схематическое условное описание: происходит "обмен частями" - воду можно представить как H и OH, водород соединяется с углеродом, OH - с кальцием, в результате получается ацетилен, а не метан (характерно именно для этой реакции) и гидроксид кальция.

Б) Ca + 2H₂O → H₂ + Ca(OH)₂

Кальций - щелочноземельный металл, типичные щелочные и щелочноземельные металлы (иск. Mg и Be) бурно растворяются в воде. Происходит реакция замещения, кальций замещает собой водород из воды, лишний водород соединяется в молекулы и вылетает из раствора. В результате получается гидроксид кальция и водород.

В) CaO + H₂O → Ca(OH)₂

Гашение негашеной извести (CaO - негашеная известь). Реакция соединения. Типичное реакция растворимого основного оксида и воды, в результате получается соответствующий гидроксид без побочных продуктов. Основный оксид это, по сути, безводный гидроксид, поэтому добавление воды не приводит к образованию побочных продуктов, точно образуя соответствующий гидроксид (работает для растворимых оксидов).

Г) H₂O + CO₂ + CaCO₃ → Ca(HCO₃)₂

Раствор углекислого газа - это, по сути, сочетание воды и углекислого газа, т.е. угольная кислота (H₂CO₃). CaCO₃ - средняя соль, образована анионом угольной кислоты. Угольная кислота соответствует соли. При реакции средней соли с соответствующей кислотой получается соответствующая кислая соль. Происходит некое "закисление" средней соли. Поэтому, в ходе этой реакции соединения мы получаем одну кислую соль.

Соотнося буквы и цифры, получаем: 

А) - 4; Б) - 3; В) - 2; Г) - 5.

Переводим этот предварительный ответ в последовательность цифр, соответствующих нужным продуктам реакции.

А) CaC₂ + 2HCl → CaCl₂ и C₂H₂

Кислотный гидролиз карбида кальция. Всегда при гидролизе именно карбида кальция выделяется ацетилен и раз гидролиз кислотный, то побочным продуктом является соль.

Б) Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ и H₂

Некая реакция замещения, кальций вытесняет водород из воды, в результате образуется гидроксид и вытесненный водород. Качественная реакция на щелочные и щелочно-земельные металлы. Сопровождается бурным процессом с выделением большого количества тепла.

В) CaO + H₂O → Ca(OH)₂

Типичная реакция присоединения. Гашение нагашенной извести, то есть присоединение к ней воды, в результате получается гидроксид кальция. Эту реакцию часто осуществляют при побелке и строительстве.

Г) CaCO₃ + H₂O + CO₂ → Ca(HCO₃)₂

Если представить смесь углекислого газа и воды как угольную кислоту, то становится ясно, что это закисление средней соли. При добавлении к средней соли кислоты с таким же кислотным остатком, то средняя соль становится аналогичной кислой.

Таким образом, А) - 4; Б) - 3; В) - 2; Г) - 5. 

Переводим этот предварительный ответ в последовательность цифр, соответствующих нужным продуктам реакции.