§ 36. Особливості взаємодії оксидів з водою та їхня класифікація

Ви вже знайомі з основним оксидом СаО — це оксид, утворений металічним елементом, під час взаємодії з водою він утворює основу Са(ОН)₂.

Які ще оксиди, утворені металічними елементами, вступають у взаємодію з водою?

Більш ніж 90 металічних елементів існують у вигляді простих речовин, і тільки одинадцять із них утворюють оксиди, що спроможні розчинятися у воді, наприклад: Li₂O, Na₂O, К₂О, Rb₂O, Cs₂O, CaO, SrO, BaO тощо.

Унаслідок їхньої взаємодії з водою утворюються розчинні основи — луги. Як бачимо, це оксиди, валентність металічного елемента у яких дорівнює І або II.

Але з-поміж оксидів металічних елементів, валентність яких дорівнює І або II, є винятки. Це, наприклад, Cu₂O, MnO, FeO, що не реагують з водою. Їх також називають основними. Чому? Тому що, як і у випадку з розчинними оксидами, існують відповідні їм основи: Mn(OH)₂, Fe(OH)₂тощо, які не розчиняються у воді. Їх, як правило, отримують із розчинних солей.

Більшість оксидів неметалічних елементів реагують з водою з утворенням кислот:

Винятком є силіцій(ІV) оксид SiO₂. Він не розчиняється у воді й не реагує з нею. Ця речовина становить основу річкового піску. Але кислоти, що відповідають цьому оксиду, існують: H₄SiO₄, H₂SiO₃ та ін. Тому силіцій(ІV) оксид, як і всі оксиди неметалічних елементів, належить до кислотних оксидів.

Оксиди NO, N₂O, CO, SiO відносять до несолетворних оксидів, оскільки вони не взаємодіють з водою, а також із розчинами кислот і лугів з утворенням неорганічних солей.

Яка речовина, на вашу думку, є продуктом реакції взаємодії хром(VI) оксиду з водою? Оскільки це оксид, утворений металічним елементом, можна припустити, що в реакції з водою утворюється основа. Щоби перевірити, чи правильне наше припущення, можна провести такий дослід.

Дослід

Додамо обережно в пробірку з водою трохи оксиду СrО₃, а потім будемо поступово розводити водою. Отриманий розчин дослідимо за допомогою лакмусового папірця: змочений розчином, він змінює забарвлення з темно-фіолетового на червоне.

Але ж червоного кольору лакмусу надають кислоти! У пробірці міститься кислота, що утворилася внаслідок перебігу реакції:

Хром(VІ) оксид — не єдиний оксид металічного елемента, який під час розчинення у воді реагує з нею з утворенням кислоти. Така властивість притаманна оксидам, утвореним ще деякими металічними елементами, наприклад Мn₂О₇, які виявляють валентність, більш характерну для неметалічних елементів.

Отже, до кислотних оксидів належать не тільки оксиди неметалічних елементів, а й оксиди металічних елементів, у яких вони виявляють валентність V і більшу (Mn₂O₇, CrO₃, V₂O₅ та ін.). Таким чином, можна зробити висновок, що металічні елементи з таким значенням валентності в сполуках поводять себе, як неметалічні.

Деякі металічні елементи утворюють оксиди, у яких виявляють валентність II або III. Ці оксиди за їхніми хімічними властивостями можна віднести і до кислотних, і до основних, наприклад BeO, ZnO, Аl₂О₃, Fe₂O₃. Такі оксиди називають амфотерними. Це тверді речовини, які не розчиняються у воді та не реагують з нею. Їхні гідроксиди одержують непрямим шляхом — із розчинних солей.

Схема 4 узагальнює класифікацію оксидів.

Приклад розв’язування задач

У процесі згоряння червоного фосфору масою 12,4 г у кисні одержали фосфор(V) оксид, до якого додали воду та прокип’ятили. Утворилася ортофосфатна кислота. Визначте масу добутого фосфор(V) оксиду та кількість речовини води, які вступили в реакцію.

Запитання та завдання

°1. Які оксиди називають основними? Металічні чи неметалічні елементи їх утворюють? Наведіть приклади.

°2. Які оксиди називають кислотними? Наведіть приклади.

°3. Чи існують металічні елементи, які спроможні утворювати кислотні оксиди? Наведіть приклади.

°4. Які оксиди називають несолетворними? Наведіть приклади.

5. Із переліку формул речовин виберіть окремо основні та кислотні оксиди, дайте їм назви: SrO, SO₃, MgO, N₂O₅, N₂O₃, K₂O, BaO, B₂O₃.

6. Які речовини утворюються внаслідок взаємодії кислотних оксидів з водою? Наведіть приклади.

7. Які речовини утворюються внаслідок взаємодії основних оксидів з водою? Наведіть приклади.

8. Визначте масову частку Мангану в манган(VII) оксиді. Чи взаємодіє він з водою? Це основний чи кислотний оксид? Обґрунтуйте.

*9. Обчисліть об’єм кисню (н. у.), який прореагує з хромом масою 13 г з утворенням оксиду Сr₂О₃.

10. Обчисліть кількість речовини води, яка прореагує із сульфур(VІ) оксидом масою 24 г з утворенням сульфатної кислоти.

*11. Обчисліть масу води (у грамах), яку потрібно витратити в кожному випадку на взаємодію з 20 г таких оксидів:

§ 27. ЕТАНОВА (ОЦТОВА) КИСЛОТА: ФІЗИЧНІ ТА ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ, ЗАСТОСУВАННЯ

Склад і будова молекули етанової кислоти. На прикладі етанової (оцтової) кислоти ви ознайомитеся з представником класу оксигеновмісних органічних сполук — кислотами.

Розчин цієї кислоти з масовою часткою 9 % відомий під назвою «оцет», його використовують як смакову приправу.

Розглянемо склад і будову молекули етанової кислоти. Її можна розглядати як похідну метану, у молекулі якого один атом Гідрогену заміщений на групу —СООН.

Скорочені структурна й електронна формули, моделі молекули етанової кислоти (рис. 98, 99) доводять, що атом Карбону, як і в інших органічних сполуках, чотиривалентний.

Рис. 98. Кулестержнева модель молекули етанової кислоти

Рис. 99. Масштабна модель молекули етанової кислоти

Фізичні властивості. Етанова кислота — безбарвна рідина, прозора, з характерним запахом, летка, кисла на смак. Вона добре розчиняється у воді й сама розчиняє чимало органічних сполук.

Густина етанової кислоти за звичайних умов — 1,05 г/см 3 , тобто вона трохи важча за воду. Температура плавлення становить 16,6 °С, температура кипіння — 181,1 °С.

• Поясніть, чому температура кипіння етанової кислоти є високою.

Хімічні властивості. З’ясуємо склад молекули етанової кислоти. Вона складається з групи —CH₃ та карбоксильної групи. Атом Оксигену, сполучений подвійним зв’язком з атомом Карбону, як більш електронегативний, спричиняє зміщення електронної густини до нього. У результаті послаблюється зв’язок між атомами Оксигену та Гідрогену. Атом Гідрогену стає рухливіший і може заміщуватися, підтверджуючи її кислотний характер.

Електролітична дисоціація. Зважаючи на те, що етанова кислота є слабким електролітом, вона дисоціює частково на йони — катіони Гідрогену й аніони кислотного залишку:

Дисоціацію кислоти й наявність йонів Гідрогену в розчині можна підтвердити зміною забарвлення індикаторів. Проведемо демонстраційний дослід.

• Пригадайте дію неорганічних кислот на індикатори.

Дослід 1. Дія етанової кислоти на індикатори. Наллємо в три пробірки розчин етанової кислоти об’ємом 1,5-2 мл. У кожну з пробірок додамо по декілька крапель розчинів індикаторів: у першу — лакмусу, у другу — метилового оранжевого, у третю опустимо універсальний індикаторний папір. Спостерігаємо зміну забарвлення індикаторів, що є переконливим доказом кислотного середовища в розчині цієї кислоти.

Взаємодія з металами. Чи взаємодіє етанова кислота з металами, перевіримо за допомогою досліду.

• Пригадайте, як взаємодіють неорганічні кислоти з металами.

Дослід 2. Взаємодія етанової кислоти з магнієм. Покладемо у дві пробірки по гранулі магнію. Наллємо в першу пробірку розчин етанової кислоти, у другу — хлоридної кислоти.

У двох пробірках відбуваються реакції, що супроводжуються виділенням водню. Однак у пробірці з етановою кислотою водень виділяється повільніше. Це свідчить про те, що вона є слабкою кислотою. Напишемо рівняння реакції:

Солі етанової кислоти дістали загальну назву етаноати.

• Поясніть, чому в йонно-молекулярному рівнянні етанова кислота подана в молекулярній формі.

Взаємодія з лугами. Як і неорганічні кислоти, етанова кислота взаємодіє з розчинами лугів. Проведемо демонстраційний дослід.

Дослід 3. Взаємодія етанової кислоти з лугами. Наллємо в пробірку розчин натрій гідроксиду об’ємом 1 мл і додамо кілька крапель розчину фенолфталеїну. Невеликими порціями доллємо розчин етанової кислоти.

Фенолфталеїн знебарвлюється. Отже, етанова кислота нейтралізувала луг:

СН₃СООН + Na + + OH – → СН₃СОО – + Na + + Н₂О.

Дослід 4. Взаємодія етанової кислоти із солями. Покладемо в пробірку шматочок крейди. Доллємо розчин етанової кислоти. Відбувається виділення газу:

Результати проведених досліджень свідчать про те, що етанова кислота проявляє властивості, подібні до властивостей неорганічних кислот.

Однак, як органічна сполука, вона горить слабосвітним полум’ям з утворенням карбон(IV) оксиду та води.

Застосування етанової кислоти. Етанова кислота, що відома людству здавна, має надзвичайно широкий спектр застосування в побуті та різних галузях промисловості (рис. 100).

Рис. 100. Схема застосування етанової кислоти

• Розкажіть про застосування етанової кислоти, користуючись схемою (рис. 100), або виконайте навчальний проект.

Практична робота 3

Властивості етанової кислоти

Виконавши цю практичну роботу, ви зможете:

• закріпити вміння й набути навичок самостійно досліджувати властивості етанової кислоти;
• спостерігати перебіг хімічних реакцій між етановою кислотою та металами, лугами, солями; зміну забарвлення індикаторів;
• набути практичних умінь у дослідженні речовин, а також робити висновки.

Повторіть правила безпеки під час роботи з речовинами й лабораторним посудом і приладдям та суворо дотримуйтеся їх.

Мета практичної роботи — закріпити вміння проводити дослідження властивостей речовин і спостерігати їх, самостійно виконати запропоновані завдання, зробити відповідні висновки.

Завдання 1. Дослідіть дію етанової кислоти на індикатори. Опишіть спостереження та зробіть висновки.

Завдання 2. Здійсніть реакцію взаємодії етанової кислоти з магнієм. Опишіть спостереження та зробіть висновки.

Завдання 3. Дослідіть взаємодію етанової кислоти з лугами. Опишіть спостереження та зробіть висновки.

Завдання 4. Дослідіть взаємодію етанової кислоти із солями. Опишіть спостереження та зробіть висновки.

Результати досліджень оформіть у зошиті для практичних робіт.

ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Етанова кислота — представник насичених карбонових кислот, до складу якої входить залишок молекули метану —СН₃ і карбоксильна група —СООН.

• Карбоксильна група зумовлює властивості етанової кислоти внаслідок поляризації зв’язку до більш електронегативного атома Оксигену та послаблення зв’язку між атомами Оксигену й Гідрогену.

• Етанова кислота — слабкий електроліт, однак змінює забарвлення індикаторів. Як кислота реагує з металами, основами, солями.

• Етанову кислоту широко застосовують у різних галузях промисловості: харчовій, текстильній, фармацевтичній, вона є сировиною для органічного синтезу, розчинником багатьох речовин.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

А —СООН

Б —ОН

В —СОН

Г —С=О

• 2. Укажіть назву класу речовин, до якого належить етанова кислота.

А одноатомні спирти

Б насичені вуглеводні

В багатоатомні спирти

Г одноосновні карбонові кислоти

А СН₃—СОН

Б СН₃—ОН

В СН₃—СООН

• 4. Напишіть рівняння реакцій між етановою кислотою та: а) кальцієм; б) барій гідроксидом; в) натрій карбонатом.
• 5. Під час взаємодії етанової кислоти з магнієм виділився водень об’ємом 44,8 л (н. у.). Обчисліть масу етанової кислоти, що прореагувала.
• 6. Обчисліть маси вихідних речовин, якщо в результаті реакції утворився натрій етаноат масою 73,8 г. Назвіть вихідні речовини.
• 7. Натрій карбонат повністю прореагував з розчином етанової кислоти масою 500 г з масовою часткою кислоти 6 %. Обчисліть маси натрій етаноату та води й об’єм газу (н. у.), що утворилися.

2. Індикатори

Одним із способів є застосування індикаторів, які змінюють своє забарвлення при зміні середовища розчину.

Індикатори — речовини, які оборотно змінюють колір залежно від середовища розчину.

Як індикатори найчастіше на практиці використовують:
• метилоранж,
• лакмус,
• фенолфталеїн,
• універсальний індикатор.

1) Метилоранж у водному розчині (у нейтральному середовищі) має оранжеве забарвлення, лакмус — фіолетове.

У кислому середовищі і метилоранж, і лакмус набувають червоного забарвлення.

Згадаємо правила змішування кольорів! З яких двох кольорів при змішуванні можна отримати помаранчевий? З червоного і жовтого. Дійсно, у лужному середовищі метилоранж набуває жовтого кольору.

Червоний і синій кольори при змішуванні дають фіолетовий. Лакмус у лужному середовищі стає синім.
Обидва індикатори більш зручні на практиці для визначення кислого середовища.

2) Фенолфталеїн є індикатором на лужне середовище . Лише у ньому він набуває яскраво малинового забарвлення. У інших середовищах він безбарвний.