Реакционный мир неорганической химии
Если бросить литий в воду, он тихо шипит; если бросить калий — загорается. В этом разделе рассматриваются закономерности этих явлений — группы Периодической таблицы, воздух, который мы дышим, реакционная последовательность металлов, определяющая способ их извлечения, и почему железо ржавеет, — а также ключевая практическая часть курса: кислоты, щелочи, получение солей и идентификационные реакции.
Edexcel International GCSE Chemistry 4CH1, Раздел 2 (утверждения 2.1–2.50) содержит большинство вопросов на воспроизведение знаний и лабораторные задания в обоих экзаменационных листах. Утверждения с буквой C относятся только к химии.
Группа 1 и Группа 7
Группа 1 (Li, Na, K) реагирует с водой, образуя гидроксид и водород — шипение, плавание, плавление (Na), лиловая горелка (K). Реакции становятся быстрее и интенсивнее по мере продвижения вниз по группе: семейство с четкой тенденцией. (C) Реакционная способность возрастает, так как внешний электрон находится дальше от ядра и отделяется легче.
Группа 7 (Cl₂ бледно-зеленый газ, Br₂ оранжево-коричневая жидкость, I₂ серо-черный твердый) темнеют по мере продвижения вниз по группе. Более активный галоген вытесняет соль менее активного: хлор вытесняет бром из бромида калия (раствор становится оранжевым). (C) Реакционная способность снижается вниз по группе — внешняя оболочка удалена дальше, поэтому присоединение электрона затруднено.
Воздух и газы
Сухой воздух: примерно 78 % азота, 21 % кислорода, 0.96 % аргона, 0.04 % углекислого газа (четыре наиболее распространенных компонента). Процентное содержание кислорода можно определить путем его расходования — ржавлением железа во влажном воздухе над водой или горением фосфора, при этом уровень воды поднимается примерно на одну пятую. Элементы горят в кислороде: магний дает яркую белую вспышку и белый MgO; водород горит со щелчком, превращаясь в пар; сера дает синее пламя и удушливый SO₂. Карбонат меди(II) разлагается при нагревании: CuCO₃ → CuO + CO₂ (известковая вода мутнеет). CO₂ является парниковым газом, рост концентрации которого способствует изменению климата.
Реакционная последовательность металлов и металлы
Порядок для запоминания: калий, натрий, литий, кальций, магний, алюминий, (углерод), цинк, железо, (водород), медь, серебро, золото. Металлы выше водорода — всё до железа включительно — реагируют с разбавленными HCl/H₂SO₄, выделяя водород; чем активнее металл, тем быстрее идет шипение. Металл вытесняет любой менее активный металл из раствора его соли или оксида.
Ржавление требует кислорода и воды; предотвращается барьерными методами (покраска, масло, пластик), оцинковыванием (покрытие цинком) и жертвенной защитой (более активный металл, такой как цинк или магний, корродирует вместо него). Окисление — это потеря электронов или присоединение кислорода; восстановление — обратный процесс; окислительно-восстановительная реакция включает оба процесса; окислитель восстанавливается, восстановитель окисляется.
(C) Извлечение соответствует реакционной способности: инертные металлы (золото, серебро) встречаются в самородном виде; те, что ниже углерода (железо), восстанавливаются углеродом в доменной печи; те, что выше (алюминий), требуют электролиза расплавленной руды. Алюминий (низкая плотность, стойкость к коррозии), медь (проводимость), железо и стали (прочность; нержавеющая сталь устойчива к ржавлению) выбраны благодаря своим свойствам. Сплавы получаются смешиванием металла с другими элементами и являются тверже, так как атомы разного размера нарушают скольжение слоев.
Кислоты, щелочи и соли
Кислоты обеспечивают H⁺(aq); щелочи обеспечивают OH⁻(aq). Индикаторы: лакмус (красный в кислоте, синий в щелочи), фенолфталеин (бесцветный → розовый), метилоранж (красный → жёлтый). Шкала pH pH 0–14 классифицирует растворы (0–3 сильно кислотные … 11–14 сильно щелочные); универсальный индикатор измеряет приблизительное значение pH. Нейтрализация: кислота + щелочь → соль + вода. (C) Кислоты являются донорами протонов, основания — акцепторами протонов; щелочи — это растворимые основания. (C) Титрование: фиксированный объём щелочи с индикатором во флаконе, добавление кислоты из бюретки каплями до изменения цвета, повторение для получения согласованных результатов.
Правила растворимости: соли натрия, калия и аммония — растворимы; все нитраты — растворимы; хлориды — растворимы, кроме AgCl и PbCl₂; сульфаты — растворимы, кроме BaSO₄, CaSO₄ и PbSO₄; карбонаты — нерастворимы, кроме Na⁺, K⁺, NH₄⁺; гидроксиды — нерастворимы, кроме Na⁺, K⁺ (Ca(OH)₂ слегка растворим).
Кислота + металл / основание / карбонат даёт соль: например, Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂; CuO + 2HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + H₂O. Растворимая соль из нерастворимого реагента (CuO + тёплый разбавленный H₂SO₄): добавить избыток основания, отфильтровать, выпарить, кристаллизовать. (C) Из кислоты + щёлочи: титрование, затем выпаривание. (C) Нерастворимая соль: смешать два раствора, чтобы образовался осадок (Pb(NO₃)₂ + Na₂SO₄ → PbSO₄↓ + 2NaNO₃), отфильтровать, промыть, высушить.
Химические тесты
Газы: водород — зажжённая спичка издаёт хлопок; кислород — воспламеняет тлеющую спичку; углекислый газ — помутняет известковую воду; аммиак — окрашивает влажную красную лакмусовую бумагу в синий; хлор — обесцвечивает влажную лакмусовую бумагу до белого. Катионы: пробные реакции с пламенем (Li⁺ красный, Na⁺ жёлтый, K⁺ лиловый, Ca²⁺ оранжево-красный, Cu²⁺ сине-зелёный); NH₄⁺ нагревают с NaOH(aq), выделяется аммиак; Cu²⁺/Fe²⁺/Fe³⁺ дают сине-зелёный/зелёный/ржаво-коричневый осадок с NaOH(aq). Анионы: Cl⁻/Br⁻/I⁻ дают белый/кремовый/бледно-жёлтый осадок с подкисленным нитратом серебра; SO₄²⁻ даёт белый осадок с подкисленным хлоридом бария; CO₃²⁻ шипит с разбавленной HCl, выделяя CO₂. Вода: безводная медь(II) сульфат белеет → синеет; чистая вода кипит резко при 100 °C.
Проверьте себя
- Опишите тенденцию реакционной способности в группе 1 и дайте (C) электронное объяснение.
- Что наблюдается при добавлении хлорной воды к бромиду калия и почему?
- Назовите четыре наиболее распространённых газа в сухом воздухе с примерными процентами.
- Назовите два условия, необходимых для ржавления железа, и два метода защиты.
- Определите окисление и восстановление через призму электронов.
- (C) Почему алюминий получают электролизом, а железо — восстановлением углеродом?
- Какие хлориды нерастворимы, а какие сульфаты?
- Напишите уравнение реакции оксида меди(II) с серной кислотой.
- Опишите цвета пламени при пробном тесте для натрия, калия и меди.
- Опишите тест на сульфат-ионы и положительный результат.
Ответы: 1 реакционная способность увеличивается по группе (B1); (C) внешний электрон находится в оболочке дальше от ядра, поэтому он отдаётся легче; 2 раствор становится оранжевым — хлор вытесняет бром, так как хлор более активный галоген; 3 азот ≈78 %, кислород ≈21 %, аргон ≈0.96 %, углекислый газ ≈0.04 %; 4 кислород и вода; методы барьерной защиты (краска/жир/пластик) и цинкование или жертвенный цинк; 5 окисление — это потеря электронов, восстановление — это их присоединение; 6 (C) алюминий стоит выше углерода в ряду активности металлов, поэтому углерод не может восстановить его оксид — требуется электролиз расплава глинозёма; железо стоит ниже углерода, поэтому углерод вытесняет его из оксида; 7 AgCl и PbCl₂; BaSO₄, CaSO₄ и PbSO₄; 8 CuO(s) + H₂SO₄(aq) → CuSO₄(aq) + H₂O(l); 9 натрий жёлтый, калий лиловый, медь сине-зелёная; 10 подкислить разведённой соляной кислотой, добавить раствор хлорида бария — белый осадок BaSO₄ подтверждает наличие сульфата.