Методичк Рязановой

Раздел 3. Проявление периодического закона в кислотно-основных свойствах неорганических соединений

Нужно знать: зависимость кислотно-основных свойств неорганических соединений от свойств образующих их элементов; генетическую связь основных классов неорганических соединений; химические свойства оксидов, оснований, кислот и солей; химизм некоторых почвенных процессов.

Нужно уметь: составлять формулы неорганических соединений; писать уравнения химических реакций; анализировать возможность или невозможность химической реакции; применять знание химических теорий к практическим вопросам применения химии в сельском хозяйстве.

Периодический закон, открытый русским ученым Д.И. Менделеевым, является одним из всеобъемлющих законов природы. Периодический закон является великим открытием, в котором отражены не отдельные частные факты, а сконцентрированы все основные закономерности химической формы движения материи.

Периодическая система является графическим изображением периодического за-

кона.

Впроцессе возрастания порядковых номеров элементов возрастает заряд ядра атома элемента. При этом строение электронных уровней, от которых зависят химические свойства элементов, периодически повторяется. Поэтому периодически повторяются химические свойства элементов. Они повторяются не с абсолютной точностью, а каждый раз на новом уровне, но основные закономерности изменения свойств элементов в каждом периоде сохраняются. В каждом периоде свойства элементов меняются от металлических к неметаллическим. Каждый период начинается с очень активного металла, затем металлические свойства постепенно уменьшаются, появляются элементы с неметаллическими свойствами, которые сначала слабо выражены, затем постепенно усиливаются, достигают предела активности, возможного для данного периода, и завершается период благородным (инертным) газом.

Нужно четко представлять эту диалектику химических свойств элементов, чтобы можно было понять диалектику химических свойств сложных соединений. Ведь в периодическом законе заключена мысль о том, что свойства сложных соединений зависят от свойств элементов, из которых они образовались. Поэтому следует ожидать, например, что элементам с резко различными свойствами – металлам и неметаллам (либо металлам различной активности) будут соответствовать коренным образом отличающиеся друг от друга сложные соединения.

Проследим, как изменяются свойства элементов III периода и кислотно-основные свойства соответствующих им соединений (табл. 19).

Период начинается металлом, оксид и гидроксид которого имеют сильные основные свойства, а в конце периода находятся элементы, оксиды и гидроксиды которых обладают кислотными свойствами. Металлические свойства элементов в периоде с увеличением заряда элемента (слева направо) уменьшаются, и в соответствии с этим уменьшаются основные свойства оксидов и гидроксидов. Неметаллические свойства элемента увеличиваются, и в соответствии с этим увеличиваются кислотные свойства оксидов и гидроксидов. Переходные элементы и соответствующие им оксиды и гидроксиды обладают амфотерными (двойственными) свойствами.

Аналогичное изменение свойств элементов и их сложных соединений – оксидов и гидроксидов происходит и в других периодах периодической системы.

Вбольших периодах, содержащих большее количество элементов, изменение свойств происходит более медленно и более сложно. Однако общая направленность изменения свойств во всех периодах одинакова. Основные закономерности изменения свойств сложных соединений в зависимости от изменения свойств образующих их элементов можно обобщить в следующих основных положениях:

74

1. В периодах с увеличением порядкового номера элемента свойства элементов изменяются от металлических к неметаллическим. Увеличивается число электронов на внешнем уровне, возрастает степень окисления элемента, уменьшается радиус атома и иона, увеличивается энергия ионизации и сродство к электрону. В соответствии с этим уменьшаются основные свойства и увеличиваются кислотные свойства соответствующих элементам оксидов и гидроксидов.

2. В главных подгруппах обычно с увеличением порядкового номера элемента увеличиваются металлические свойства элементов, увеличивается радиус атома и иона, уменьшается энергия ионизации атома; в соответствии с этим увеличиваются основные свойства оксидов и гидроксидов. Однако иногда имеются исключения из этой основной закономерности.

3. Для элементов побочных подгрупп характерно более сложное изменение свойств, отражающее нарушение основной закономерности. Сначала металлические свойства усиливаются (наблюдается увеличение потенциала ионизации). Это связано с явлением лантаноидного сжатия.

Уменьшение металлических свойств приводит к уменьшению силы соответствующего основания (наблюдается уменьшение величины константы диссоциации).

4. Активным металлам соответствуют оксиды и гидроксиды с сильно выраженными основными свойствами.

5. Активным неметаллам соответствуют оксиды и гидроксиды с сильно выраженными кислотными свойствами.

6. Самые активные металлы − щелочные (главная подгруппа I группы) и щелочноземельные (Са, Sr, Ba из главной подгруппы II группы) − образуют сильные основания, растворимые в воде, называемые щелочами (NaOH, KOH, Ca(OH)2, Ba(OH)2 и др.).

7. Самые активные металлы (щелочные и щелочноземельные) образуют основные оксиды, растворимые в воде (Na2O, K2O, CaO, BaO и др.).

8. Малоактивным металлам соответствуют слабые основания, труднорастворимые в воде (Сu(OH)2, Mn(OH)2, Fe(OH)3 и др.).

9. Более активные металлы с меньшей степенью окисления образуют более сильные основания. Для более активных металлов характерна меньшая величина степени окисления. Менее активные металлы проявляют более высокую степень окисления в сложных соединениях. В соответствии с этим, если металл может проявлять переменную степень окисления, то металлу в меньшей степени окисления соответствует более сильное основание. Так, Fe(OH)2 является более сильным, более растворимым основа-

нием, чем Fe(OH)3. Если для Fe(OH)2 константа диссоциации К2 = 1,3·10−4, то для

Fe(OH)3 K2 = 1,8·10−11.

10. Более активному неметаллу в более высокой степени окисления соответствует более сильная кислота. Так, хлорная кислота НClO4, образованная активным неметал-

+7

лом в высокой степени окисления ( Cl ), является очень сильной кислотой. Хлорноватистая кислота HClO, образованная активным неметаллом хлором, но в

низкой степени окисления, равной +1, является слабой. нестойкой кислотой, К = 5·10−8.

+4

Сера образует несколько кислот. Сернистая кислота H2SO3, образованная S, явля-

ется слабой, нестойкой кислотой, К1 = 1,58·10−2. Серная кислота Н2SO4, образованная

+6

этим же элементом, но в более высокой степени окисления (S), является сильной ки-

слотой.

Угольная кислота Н2СО3, образованная малоактивным неметаллом, является слабой кислотой, К1 = 1,32·10−4. Она нестойкая, быстро разлагается.

75

низшей степени окисления образуют основные оксиды, а типичные неметаллы и переходные элементы в высокой степени окисления образуют противоположные по свойствам кислотные оксиды.

При дальнейшем усложнении состава вещества образуются гидроксиды, причем основным оксидам соответствуют основания, а кислотным оксидам соответствуют кислоты. Основания и кислоты также противоположны друг другу по свойствам. Таким образом, диалектика состава вещества приводит к диалектике их свойств. Противоположность свойств металлов и неметаллов обусловливает противоположность свойств как основных и кислотных оксидов, так и оснований и кислот. Это является доказательством того, что свойства сложных веществ находятся в диалектической зависимости от свойств простых веществ, а следовательно, они взаимосвязаны и взаимно обусловлены. В усложнении состава и свойств проявляется развитие химической формы движения материи. Имеет место связь и преемственность между простыми и сложными веществами, и в свойствах сложных соединений находят в новой форме отражение свойства простых веществ, из которых они образовались. Диалектика этой связи ясно видна из табл. 21.

Таблица 21

ГЕНЕТИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ ПРОСТЫХ И СЛОЖНЫХ ВЕЩЕСТВ

Из физики известно, что противоположные заряды (+ и −) притягиваются, а одноименные отталкиваются. Аналогично в химии, на более сложном уровне развития материи, противоположные по свойствам вещества активно реагируют между собой, а близкие по свойствам – не взаимодействуют.

Взаимодействие противоположностей является движущей силой реакции. Поэтому основный и кислотный оксиды, основание и кислота активно взаимодействуют друг

77

с другом, а два кислотных оксида или два основных оксида между собой не взаимодействуют, так как свойства у них близки. Единство двух взаимоисключающих тенденций проявляется в свойствах амфотерных элементов, а также в свойствах соответствующих им амфотерных оксидов и гидроксидов.

Двойственные свойства сложных соединений обусловлены внутренней противоречивостью свойств элементов, из которых они образовались. Соли – самый сложный класс неорганических соединений – образуются как результат взаимодействия противоположных по свойствам веществ, и в результате их образования происходит нейтрализация противоположных свойств. В свойствах солей противоречивость проявляется уже на новом уровне.

Таким образом, при изучении состава и свойств веществ раскрывается диалекти- ко-материалистическая сущность природы.

Основные оксиды

Основные оксиды – это сложные соединения, состоящие из металла и кислорода, которым в качестве гидроксидов соответствуют основания.

Химические свойства основных оксидов

Взаимодействуют:

1. Основный оксид с кислотным оксидом (взаимодействие противоположностей):

Са +СО2 = СаСО3

соль (вещество более сложного класса)

2. Основный оксид с кислотой (взаимодействие противоположностей):

СаО + Н2SO4 = СаSО4 + H2O

соль (вещество более сложного класса)

3. Основный оксид с водой (характерно лишь для оксидов, образованных очень активными металлами – щелочными (металлами главной подгруппы I группы) и щелочноземельными Са, Sr, Ba из главной подгруппы II группы):

СаО + Н2О = Са(ОН)2

(вещество более сложного класса)

СuO + H2O ≠ (не идет)

Кислотные оксиды

Кислотные оксиды – это сложные вещества, состоящие из неметалла и кислорода, которым в качестве гидроксидов соответствуют кислоты.

Химические свойства кислотных оксидов

Взаимодействуют:

1. Кислотный оксид с основным оксидом (взаимодействие противоположностей):

SO3 + CaO = СаSО4

соль (вещество более сложного класса)

78