Четыре класса неорганических веществ
Оксиды – это соединения элемента с кислородом, например CaO или CO₂. Оксиды металлов обычно основные, оксиды неметаллов обычно кислотные, а некоторые, например Al₂O₃ и ZnO, амфотерные (они реагируют и с кислотами, и с основаниями).
Кислоты отдают в воде ионы H⁺ (HCl, H₂SO₄, HNO₃). Основания дают ионы OH⁻ или принимают H⁺ (NaOH, Ca(OH)₂, NH₃). Основание, которое растворяется в воде, называется щёлочью. Соли состоят из иона металла (или NH₄⁺) и кислотного остатка (NaCl, CuSO₄, NH₄NO₃).
Теории кислот и оснований, которые нужно знать
- Аррениус: кислота даёт в воде H⁺, основание даёт OH⁻.
- Брёнстед–Лоури: кислота отдаёт протон, основание принимает протон. NH₃ – основание, потому что забирает H⁺.
- Льюис: кислота принимает электронную пару, основание отдаёт её.
Названия кислот, оснований и солей
- Бескислородные кислоты: корень + «-водородная»: HCl хлороводородная (соляная), HBr бромоводородная.
- Кислородные кислоты: высшая степень окисления – «-ная/-овая», более низкая – «-истая»: H₂SO₄ серная, H₂SO₃ сернистая; HNO₃ азотная, HNO₂ азотистая.
- Основания: «гидроксид» + металл: NaOH гидроксид натрия, Fe(OH)₃ гидроксид железа(III) (римская цифра показывает заряд).
- Соли: сначала называем кислотный остаток, потом металл. Серная кислота даёт сульфаты, сернистая – сульфиты, соляная – хлориды, азотистая – нитриты.
- Кислые соли ещё содержат H: NaHCO₃ гидрокарбонат натрия. Основные соли ещё содержат OH: Mg(OH)Cl гидроксохлорид магния.
Генетическая связь между классами
Один элемент можно проследить по всем классам, как линию рода:
Металл: Ca → CaO → Ca(OH)₂ → CaCO₃ (2Ca + O₂ → 2CaO; CaO + H₂O → Ca(OH)₂; Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O)
Неметалл: S → SO₂ → H₂SO₃ → Na₂SO₃
Обе линии встречаются в соли. Соли получают разными способами: кислота + основание, кислота + металл, кислота + основный оксид, основание + кислотный оксид и кислота + карбонат.
Что такое титрование
Титрование позволяет найти неизвестную концентрацию раствора: его заставляют реагировать с раствором известной концентрации (стандартным раствором, или титрантом).
- Пипеткой отмерь точный объём (например, 25,0 мл) неизвестной кислоты в коническую колбу. Добавь 2–3 капли индикатора.
- Заполни бюретку стандартным раствором основания. Запиши начальный объём по нижнему краю мениска, глядя на уровне глаз.
- Добавляй основание, постоянно перемешивая. Ближе к концу добавляй по капле.
- Остановись при первом стойком изменении цвета: это конечная точка. Запиши итоговое показание. Повторяй, пока два результата не совпадут с точностью 0,10 мл (согласованные результаты).
Точка эквивалентности – момент, когда количества молей кислоты и основания точно соответствуют уравнению. Конечная точка – момент, когда меняет цвет индикатор. Хороший индикатор делает их почти одинаковыми.
Кривые титрования и выбор индикатора
Если нанести pH против объёма добавленного основания, получится S-образная кривая титрования.
- Сильная кислота + сильное основание (HCl + NaOH): pH начинается около 1, резко скачет примерно с 3 до 11, точка эквивалентности при pH 7. Подходят и фенолфталеин, и метилоранж.
- Слабая кислота + сильное основание (CH₃COOH + NaOH): начало около pH 3, есть пологий буферный участок, эквивалентность выше 7 (около 8,7). Нужен фенолфталеин (меняет цвет при 8,2–10). В середине до эквивалентности pH = pKa.
- Сильная кислота + слабое основание (HCl + NH₃): эквивалентность ниже 7 (около 5). Нужен метилоранж (меняет цвет при 3,1–4,4).
- Слабая + слабое: резкого скачка нет, поэтому хорошего индикатора нет; используют pH-метр.
Правило: выбирай индикатор, у которого диапазон смены цвета попадает в крутую часть кривой.
Расчёты при титровании
Количество вещества = концентрация (моль/л) × объём (л). Используй соотношение из уравнения реакции.
Для HCl + NaOH (1 : 1): CaVa = CbVb.
Для H₂SO₄ + 2NaOH: n(NaOH) = 2 × n(H₂SO₄), поэтому 2CaVa = CbVb.
До эквивалентности (сильная кислота): [H⁺] = (оставшееся количество кислоты) ÷ (общий объём). После: [OH⁻] = (избыток основания) ÷ (общий объём), затем pH = 14 − pOH (при 25 °C).
Главные формулы и определения
- n = C × V (V в литрах)
- Реакция 1 : 1: C₁V₁ = C₂V₂
- a·CₐVₐ = b·C_bV_b (a, b = число H⁺ / OH⁻, которое отдаёт каждое вещество)
- pH = −log[H⁺]; pH + pOH = 14 (25 °C)
- Слабая кислота в середине до эквивалентности: pH = pKa
Разобранные примеры
1. Назови: (a) HNO₂ (b) K₂SO₄ (c) Fe(OH)₂ (d) NaHCO₃.
(a) азотистая кислота (меньше O → «-истая»). (b) сульфат калия (соль серной кислоты). (c) гидроксид железа(II). (d) гидрокарбонат натрия, кислая соль.
2. Запиши генетическую цепочку для магния, которая заканчивается хлоридом магния.
2Mg + O₂ → 2MgO; MgO + H₂O → Mg(OH)₂; Mg(OH)₂ + 2HCl → MgCl₂ + 2H₂O.
3. На 25,0 мл HCl ушло 20,0 мл 0,100 М NaOH. Найди [HCl].
n(NaOH) = 0,100 × 0,0200 = 0,00200 моль = n(HCl). C = 0,00200 ÷ 0,0250 = 0,0800 М.
4. 20,0 мл H₂SO₄ нейтрализуют 32,0 мл 0,250 М NaOH. Найди [H₂SO₄].
n(NaOH) = 0,250 × 0,0320 = 0,00800 моль. H₂SO₄ : NaOH = 1 : 2, поэтому n(H₂SO₄) = 0,00400 моль. C = 0,00400 ÷ 0,0200 = 0,200 М.
5. Есть 25,0 мл 0,100 М HCl. Найди pH после добавления 20,0 мл 0,100 М NaOH.
Кислоты 0,00250 моль, основания 0,00200 моль. Осталось H⁺ = 0,000500 моль в 45,0 мл. [H⁺] = 0,000500 ÷ 0,0450 = 0,0111 М. pH = 1,95.
6. Та же колба, после добавления 30,0 мл NaOH. Найди pH.
Основания 0,00300 моль, избыток OH⁻ = 0,000500 моль в 55,0 мл. [OH⁻] = 0,00909 М, pOH = 2,04, pH = 11,96. pH подскочил с примерно 2 до 12 всего за 10 мл – это крутая часть кривой.
Частые ошибки
- Забыть перевести мл в л перед расчётом молей.
- Использовать C₁V₁ = C₂V₂ для H₂SO₄ + NaOH: нужно учитывать соотношение 1 : 2.
- Думать, что точка эквивалентности всегда при pH 7. Только сильная кислота + сильное основание дают 7.
- Смотреть на мениск бюретки сверху или снизу (ошибка параллакса) или не ополоснуть бюретку титрантом перед работой.