Соли: классификация, свойства и получение

Цели урока

• Систематизировать знания о классификации солей (средние, кислые, основные, двойные, смешанные, комплексные).
• Изучить химические свойства средних солей (взаимодействие с металлами, кислотами, щелочами, солями; термическое разложение; окислительно-восстановительные свойства).
• Рассмотреть особенности свойств кислых и основных солей.
• Изучить способы получения солей различных типов.
• Понять генетическую связь между классами неорганических соединений на примере генетических рядов металлов и неметаллов.
• Отработать навыки решения заданий ЕГЭ по теме «Соли».

Зачем это нужно на ЕГЭ

Соли — один из самых обширных классов неорганических соединений. Знание их свойств необходимо для успешного выполнения заданий:

• Задания 5–9 (базовый и повышенный уровни) проверяют умение классифицировать соли, составлять уравнения реакций с их участием, определять продукты реакций.
• Задания 29–31 (высокий уровень) требуют составления окислительно-восстановительных реакций с участием солей, реакций ионного обмена (в том числе с образованием осадков, газов, слабых электролитов) и схем генетических превращений, включающих соли.

Без прочного понимания темы «Соли» невозможно получить высокий балл на ЕГЭ по химии.

Теория

Определение и общая характеристика

Соли — это сложные вещества, состоящие из катионов металла (или катиона аммония $\mathrm{NH_4^+}$ или органического катиона) и анионов кислотных остатков.

Соли можно рассматривать как продукты полного или частичного замещения атомов водорода в кислоте на атомы металла (или катион аммония).

Классификация солей

Соли классифицируются по нескольким признакам:

1. По составу (по характеру замещения водорода):

   • Средние (нормальные) соли — продукты полного замещения всех атомов водорода в кислоте. Примеры: $\mathrm{NaCl}$, $\mathrm{CuSO_4}$, $\mathrm{Ca_3(PO_4)_2}$.
   • Кислые соли — продукты неполного замещения атомов водорода в многоосновных кислотах. Содержат атомы водорода, способные замещаться на металл. Примеры: $\mathrm{NaHCO_3}$, $\mathrm{KHSO_4}$, $\mathrm{Ca(H_2PO_4)_2}$.
   • Основные соли — продукты неполного замещения гидроксогрупп в многокислотных основаниях на кислотные остатки. Содержат группы $\mathrm{OH}$. Примеры: $\mathrm{(CuOH)_2CO_3}$, $\mathrm{Mg(OH)Cl}$.

2. По числу различных катионов и анионов:

   • Двойные соли — содержат два разных катиона и один анион. Пример: $\mathrm{KAl(SO_4)_2}$ (алюмокалиевые квасцы).
   • Смешанные соли — содержат один катион и два разных аниона. Пример: $\mathrm{Ca(OCl)Cl}$ (хлорная известь).
   • Комплексные соли — содержат комплексный ион. Пример: $\mathrm{Na_3[Al(OH)_6]}$, $\mathrm{K_4[Fe(CN)_6]}$.

3. По растворимости в воде: растворимые, малорастворимые, нерастворимые (определяется по таблице растворимости).

Химические свойства средних солей

1. Взаимодействие с металлами

Металл, стоящий левее в ряду напряжений (электрохимическом ряду), вытесняет металл, стоящий правее, из раствора его соли:

$$\mathrm{Fe + CuSO_4 = FeSO_4 + Cu\downarrow}$$ $$\mathrm{Zn + Pb(NO_3)_2 = Zn(NO_3)_2 + Pb\downarrow}$$

Важно: реакции возможны только с растворимыми солями. Щелочные и щелочноземельные металлы вступают в реакцию с водой, поэтому их используют для вытеснения металлов из расплавов солей (электрометаллургия).

2. Взаимодействие с кислотами

Сильные кислоты вытесняют слабые или летучие кислоты из их солей (если продукт — газ, осадок или слабый электролит):

$$\mathrm{Na_2CO_3 + 2HCl = 2NaCl + H_2O + CO_2\uparrow}$$ $$\mathrm{Na_2SO_3 + H_2SO_4 = Na_2SO_4 + H_2O + SO_2\uparrow}$$ $$\mathrm{K_2SiO_3 + 2HCl = 2KCl + H_2SiO_3\downarrow}$$

Возможны также реакции, в которых образуется нерастворимая соль (например, $\mathrm{BaSO_4}$, $\mathrm{AgCl}$), нерастворимая в образующейся кислоте:

$$\mathrm{BaCl_2 + H_2SO_4 = BaSO_4\downarrow + 2HCl}$$ $$\mathrm{AgNO_3 + HCl = AgCl\downarrow + HNO_3}$$

Слабые кислоты могут вытеснять сильные из солей, если образуется нерастворимый осадок (например, сульфиды Cu, Hg, Pb):

$$\mathrm{CuSO_4 + H_2S = CuS\downarrow + H_2SO_4}$$ $$\mathrm{Pb(NO_3)_2 + H_2S = PbS\downarrow + 2HNO_3}$$

3. Взаимодействие со щелочами

Реакция протекает, если в результате образуется осадок, газ или слабый электролит:

• Образование осадка гидроксида металла:

  $$\mathrm{CuSO_4 + 2KOH = Cu(OH)_2\downarrow + K_2SO_4}$$

• Выделение газа (аммиака) из солей аммония:

  $$\mathrm{NH_4Cl + NaOH = NaCl + NH_3\uparrow + H_2O}$$

• Образование слабого электролита (например, $\mathrm{NH_3\cdot H_2O}$):

  $$\mathrm{NH_4NO_3 + KOH = KNO_3 + NH_3\cdot H_2O}$$

4. Взаимодействие с другими солями

Реакция обмена протекает, если образуется осадок или газ (или слабый электролит):

$$\mathrm{Na_2SO_4 + BaCl_2 = BaSO_4\downarrow + 2NaCl}$$ $$\mathrm{CuCl_2 + 2AgNO_3 = 2AgCl\downarrow + Cu(NO_3)_2}$$

5. Термическое разложение

Многие соли при нагревании разлагаются:

• Нитраты разлагаются до нитритов, оксидов металлов или до металлов (в зависимости от активности металла):

  $$2\mathrm{NaNO_3} \xrightarrow{t} 2\mathrm{NaNO_2} + \mathrm{O_2\uparrow}$$ $$2\mathrm{Cu(NO_3)_2} \xrightarrow{t} 2\mathrm{CuO} + 4\mathrm{NO_2\uparrow} + \mathrm{O_2\uparrow}$$

• Карбонаты (кроме солей щелочных металлов) разлагаются на оксид металла и $\mathrm{CO_2}$:

  $$\mathrm{CaCO_3} \xrightarrow{t} \mathrm{CaO} + \mathrm{CO_2\uparrow}$$

• Гидрокарбонаты разлагаются на карбонаты, $\mathrm{CO_2}$ и воду:

  $$2\mathrm{KHCO_3} \xrightarrow{t} \mathrm{K_2CO_3} + \mathrm{CO_2\uparrow} + \mathrm{H_2O}$$

• Хлораты (бертолетова соль) разлагаются с выделением кислорода:

  $$2\mathrm{KClO_3} \xrightarrow{t,\text{kat}} 2\mathrm{KCl} + 3\mathrm{O_2\uparrow}$$

• Перманганаты разлагаются с выделением кислорода:

  $$2\mathrm{KMnO_4} \xrightarrow{t} \mathrm{K_2MnO_4} + \mathrm{MnO_2} + \mathrm{O_2\uparrow}$$

6. Гидролиз солей

Соли, образованные слабой кислотой и/или слабым основанием, подвергаются гидролизу — взаимодействию с водой, приводящему к изменению pH среды. Этот вопрос подробно рассматривается в отдельной теме.

7. Окислительно-восстановительные свойства

Некоторые соли проявляют окислительные свойства (например, $\mathrm{KMnO_4}$, $\mathrm{K_2Cr_2O_7}$, $\mathrm{KClO_3}$, $\mathrm{Ca(OCl)_2}$) или восстановительные (например, $\mathrm{Na_2SO_3}$, $\mathrm{NaNO_2}$, $\mathrm{KCl}$ (в расплаве)).

Сульфиды, сульфиты, нитриты могут окисляться кислородом воздуха:

$$2\mathrm{CuS} + 3\mathrm{O_2} \xrightarrow{t} 2\mathrm{CuO} + 2\mathrm{SO_2\uparrow}$$ $$2\mathrm{Na_2SO_3} + \mathrm{O_2} \xrightarrow{t} 2\mathrm{Na_2SO_4}$$

Химические свойства кислых солей

Кислые соли содержат атомы водорода, способные замещаться на металл, поэтому они проявляют свойства кислот (реагируют со щелочами) и свойства средних солей (реагируют с кислотами и солями).

1. Реакция со щелочами — нейтрализация с образованием средней соли (или менее кислой соли):

   $$\mathrm{NaHCO_3 + NaOH = Na_2CO_3 + H_2O}$$ $$\mathrm{KH_2PO_4 + KOH = K_2HPO_4 + H_2O}$$ $$\mathrm{Ca(H_2PO_4)_2 + Ca(OH)_2 = 2CaHPO_4\downarrow + 2H_2O}$$

2. Реакция с кислотами — вытеснение слабой кислоты (если кислый остаток образован слабой кислотой):

   $$\mathrm{NaHCO_3 + HCl = NaCl + H_2O + CO_2\uparrow}$$ $$\mathrm{KHSO_3 + HCl = KCl + H_2O + SO_2\uparrow}$$

   Гидросульфаты с сильными кислотами не реагируют.

3. Реакция с солями — обмен, если образуется осадок:

   $$\mathrm{Ca(HCO_3)_2 + K_2CO_3 = CaCO_3\downarrow + 2KHCO_3}$$ $$\mathrm{NaHSO_4 + BaCl_2 = BaSO_4\downarrow + NaCl + HCl}$$

4. Термическое разложение — гидрокарбонаты разлагаются на карбонаты, $\mathrm{CO_2}$ и воду (см. выше). Гидросульфаты устойчивы.

Химические свойства основных солей

Основные соли содержат гидроксогруппы, поэтому реагируют с кислотами и со щелочами.

1. Реакция с кислотами — нейтрализация до средней соли:

   $$\mathrm{Mg(OH)Cl + HCl = MgCl_2 + H_2O}$$

2. Реакция со щелочами — образование нерастворимого основания:

   $$\mathrm{Mg(OH)Cl + KOH = Mg(OH)_2\downarrow + KCl}$$

Способы получения солей

Получение средних солей

Получение кислых солей

Получение основных солей

Генетическая связь между классами неорганических соединений

Генетическая связь отражает взаимопревращения веществ разных классов. Выделяют генетические ряды металлов и неметаллов.

Генетический ряд металла (на примере кальция):

$$\mathrm{Ca \rightarrow CaO \rightarrow Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3}$$

Генетический ряд неметалла (на примере фосфора):

$$\mathrm{P \rightarrow P_2O_5 \rightarrow H_3PO_4 \rightarrow K_3PO_4}$$

В этих рядах можно осуществить превращения как в прямом, так и в обратном направлении (через соответствующие реакции). Важно помнить, что вещества, принадлежащие к одному генетическому ряду, между собой не реагируют (например, $\mathrm{CaO}$ и $\mathrm{Ca(OH)_2}$).

Примеры

Пример 1 (задание 5)

Установите соответствие между формулой соли и её классификацией.

Решение:

• $\mathrm{NaHCO_3}$ — кислая соль (Б).
• $\mathrm{Cu(OH)_2CO_3}$ — основная соль (В).
• $\mathrm{KAl(SO_4)_2}$ — двойная соль (Г).
• $\mathrm{Ca_3(PO_4)_2}$ — средняя соль (А).

Ответ: 1-Б, 2-В, 3-Г, 4-А.

Пример 2 (задание 6/7)

Какая соль может образоваться при взаимодействии избытка углекислого газа с раствором гидроксида бария?

1. $\mathrm{BaCO_3}$
2. $\mathrm{Ba(HCO_3)_2}$
3. $\mathrm{Ba(OH)_2}$
4. $\mathrm{BaO}$

Решение: При избытке $\mathrm{CO_2}$ образуется кислая соль — гидрокарбонат бария:

$$\mathrm{Ba(OH)_2 + 2CO_2 = Ba(HCO_3)_2}$$

Ответ: 2.

Пример 3 (задание 29 — ОВР)

Используя метод электронного баланса, составьте уравнение реакции:

$$\mathrm{KMnO_4 \xrightarrow{t} K_2MnO_4 + MnO_2 + O_2}$$

Решение:

1. Определим степени окисления: $\mathrm{Mn^{+7}}$ → $\mathrm{Mn^{+6}}$ (восстановление, принимает $e^-$) $\mathrm{Mn^{+7}}$ → $\mathrm{Mn^{+4}}$ (восстановление, принимает $3e^-$) $\mathrm{O^{-2}}$ → $\mathrm{O_2^0}$ (окисление, отдаёт $2e^-$ на каждый атом, т.е. $4e^-$ на молекулу $O_2$)

2. Составим электронный баланс (на 2 атома Mn): $2\mathrm{Mn^{+7}} + 2e^- = 2\mathrm{Mn^{+6}}$ (восстановление) $2\mathrm{Mn^{+7}} + 6e^- = 2\mathrm{Mn^{+4}}$ (восстановление) — суммарно $8e^-$ принято. $2\mathrm{O^{-2}} - 4e^- = \mathrm{O_2^0}$ (окисление) — отдано $4e^-$.

   Чтобы уравнять, нужно умножить окисление на 2:

   $$4\mathrm{O^{-2}} - 8e^- = 2\mathrm{O_2^0}$$

3. Итоговый баланс: $2\mathrm{Mn^{+7}} + 8e^- = 2\mathrm{Mn^{+6}} + 2\mathrm{Mn^{+4}}$ (на 2 атома Mn)

   $$4\mathrm{O^{-2}} - 8e^- = 2\mathrm{O_2^0}$$

4. Расставим коэффициенты:

   $$2\mathrm{KMnO_4} \xrightarrow{t} \mathrm{K_2MnO_4} + \mathrm{MnO_2} + \mathrm{O_2\uparrow}$$

Пример 4 (задание 30 — ионный обмен)

Составьте молекулярное, полное и сокращённое ионное уравнение реакции между хлоридом бария и сульфатом натрия.

Решение:

• Молекулярное: $\mathrm{BaCl_2 + Na_2SO_4 = BaSO_4\downarrow + 2NaCl}$
• Полное ионное: $\mathrm{Ba^{2+} + 2Cl^- + 2Na^+ + SO_4^{2-} = BaSO_4\downarrow + 2Na^+ + 2Cl^-}$
• Сокращённое ионное: $\mathrm{Ba^{2+} + SO_4^{2-} = BaSO_4\downarrow}$

Пример 5 (задание 31 — генетическая связь)

Осуществите превращения:

$$\mathrm{Na \rightarrow Na_2O \rightarrow NaOH \rightarrow Na_2CO_3 \rightarrow NaHCO_3 \rightarrow NaCl}$$

Решение:

1. $4\mathrm{Na + O_2 = 2Na_2O}$
2. $\mathrm{Na_2O + H_2O = 2NaOH}$
3. $\mathrm{2NaOH + CO_2 = Na_2CO_3 + H_2O}$ (или $\mathrm{NaOH + CO_2 = NaHCO_3}$ — но для получения средней соли нужен избыток NaOH)
4. $\mathrm{Na_2CO_3 + CO_2 + H_2O = 2NaHCO_3}$ (или $\mathrm{Na_2CO_3 + HCl = NaHCO_3 + NaCl}$)
5. $\mathrm{NaHCO_3 + HCl = NaCl + H_2O + CO_2\uparrow}$

Вопросы для самопроверки

Вопрос 1 (выбор нескольких ответов)

Какие из перечисленных солей являются кислыми?

• $\mathrm{KHSO_4}$
• $\mathrm{Na_2CO_3}$
• $\mathrm{Ca(HCO_3)_2}$
• $\mathrm{Na_2SO_4}$
• $\mathrm{NH_4Cl}$
• $\mathrm{KH_2PO_4}$

Ответ: $\mathrm{KHSO_4}$, $\mathrm{Ca(HCO_3)_2}$, $\mathrm{KH_2PO_4}$.

Вопрос 2 (сопоставление)

Установите соответствие между формулой соли и продуктами её термического разложения (или характером разложения).

Ответ: 1-Б, 2-А, 3-В, 4-Г.

Вопрос 3 (упорядочивание)

Расположите следующие соли в порядке увеличения их термической устойчивости (от наименее устойчивой к наиболее): $\mathrm{CaCO_3}$, $\mathrm{Na_2CO_3}$, $\mathrm{MgCO_3}$, $\mathrm{K_2CO_3}$

Ответ: $\mathrm{MgCO_3}$ < $\mathrm{CaCO_3}$ < $\mathrm{Na_2CO_3}$ < $\mathrm{K_2CO_3}$ (карбонаты щелочных металлов устойчивее, чем карбонаты щелочноземельных; в группе сверху вниз устойчивость карбонатов возрастает).

Вопрос 4 (расчётная задача)

Какой объём углекислого газа (н.у.) выделится при обработке избытком соляной кислоты 50 г карбоната кальция, содержащего 10% примесей?

Ответ: $m(CaCO_3) = 50 \cdot 0.9 = 45$ г. $n(CaCO_3) = 45 / 100 = 0.45$ моль. По уравнению $\mathrm{CaCO_3 + 2HCl = CaCl_2 + H_2O + CO_2\uparrow}$ количество $CO_2$ равно $n(CaCO_3)$. $V(CO_2) = 0.45 \cdot 22.4 = 10.08$ л.

Краткий конспект

• Соли — сложные вещества, состоящие из катионов металла (или $\mathrm{NH_4^+}$) и анионов кислотных остатков.
• Классификация: средние, кислые, основные; двойные, смешанные, комплексные.
• Средние соли реагируют с металлами (вытеснение), кислотами, щелочами, другими солями (при образовании осадка/газа), разлагаются при нагревании (нитраты, карбонаты и др.), участвуют в ОВР.
• Кислые соли содержат атомы водорода, реагируют со щелочами (нейтрализация), с кислотами (если образованы слабой кислотой), с солями (обмен), разлагаются при нагревании (гидрокарбонаты).
• Основные соли содержат $\mathrm{OH}$-группы, реагируют с кислотами и со щелочами.
• Способы получения: взаимодействие металлов, оксидов, оснований, кислот, солей друг с другом; термическое разложение; обменные реакции.
• Генетическая связь — взаимопревращения между классами неорганических соединений. Генетические ряды металлов и неметаллов позволяют планировать синтез нужных веществ.

Что изучать дальше

• Урок 19 «Гидролиз солей» — реакции солей с водой, влияющие на pH среды.
• Урок 32 «Качественные реакции на катионы» и урок 33 «Качественные реакции на анионы» — идентификация солей.
• Урок 24 «Электролиз расплавов и растворов» — промышленные способы получения металлов и газов.
• Урок 34 «Генетическая связь между классами неорганических соединений» — закрепление взаимопревращений.