Основні оксиди і кислоти. Розбираємо реакції на рівні частинок, з’ясовуємо, як утворюються сіль і вода, та вчимося правильно складати рівняння реакцій.
Раніше ми з’ясували, що купрум(II) оксид CuO не реагує з водою. Але якщо замість води додати хлоридну кислоту HCl, чорний порошок поступово розчинятиметься, а розчин набуватиме блакитно-зеленуватого забарвлення. Чому так відбувається? Щоб зрозуміти різницю, потрібно розібратися, які частинки містяться в розчині кислоти та як вони взаємодіють з оксидом.
1. Що відбувається з кислотою у воді?
Хлоридна кислота — це водний розчин гідроген хлориду HCl. У воді HCl практично повністю дисоціює на позитивно заряджені йони Гідрогену та негативно заряджені хлорид-іони.
HCl → H⁺ + Cl⁻
Слід зауважити, що вільні протони H⁺ у водному розчині практично не існують: вони зв’язуються з молекулами води, утворюючи йони H₃O⁺ та складніші гідратовані частинки. Але для простоти в шкільних рівняннях часто записують H⁺. Саме ці частинки відіграють головну роль у реакції кислоти з основним оксидом.
2. Як H⁺ взаємодіє з CuO?
Купрум(II) оксид CuO — це йонна кристалічна сполука. Спрощено його кристал можна уявити як систему йонів Cu²⁺ та O²⁻. Коли кислота потрапляє на поверхню CuO, йони Гідрогену H⁺ взаємодіють з оксид-іонами. Один оксид-іон приєднує два протони, унаслідок чого утворюється вода:
O²⁻ + 2H⁺ → H₂O
Унаслідок цієї взаємодії структура кристала CuO руйнується, а йони Cu²⁺ переходять у розчин. Отже, кислота не просто розчиняє оксид, як вода розчиняє цукор. Відбувається хімічна реакція, під час якої одні частинки зникають і утворюються інші.
3. Звідки береться сіль?
Ми вже з’ясували, що Оксиген оксиду разом із Гідрогеном кислоти утворює воду. Йони Купруму Cu²⁺ при цьому переходять у розчин, де вже містяться хлорид-іони Cl⁻. Йон Cu²⁺ має заряд +2, а хлорид-іон Cl⁻ — заряд −1. Тому в солі на один йон Cu²⁺ припадають два йони Cl⁻, звідси формула купрум(II) хлориду — CuCl₂.
У водному розчині купрум(II) хлорид переважно існує у вигляді гідратованих йонів, а не окремих молекул CuCl₂. Але у формулі солі ми записуємо співвідношення йонів як CuCl₂. Повне рівняння реакції має вигляд:
CuO + 2HCl → CuCl₂ + H₂O
Отже, під час реакції основного оксиду з кислотою утворюються сіль і вода.
4. Чому CuO реагує з кислотою, але не реагує з водою?
Вода за звичайних умов не може перетворити CuO на Cu(OH)₂. У розчині кислоти ситуація інша: там міститься значно більше йонів Гідрогену H⁺. Вони взаємодіють з Оксигеном оксиду з утворенням води, унаслідок чого кристалічна структура CuO руйнується. Йони Cu²⁺ при цьому переходять у розчин.
Якщо прибрати з рівняння хлорид-іони, які безпосередньо не беруть участі в перетворенні, отримаємо скорочене йонне рівняння:
CuO + 2H⁺ → Cu²⁺ + H₂O
Це рівняння добре показує суть процесу. Йони H⁺ взаємодіють з Оксигеном оксиду, утворюється вода, а Купрум переходить у розчин у вигляді Cu²⁺. Хлорид-іони Cl⁻ залишаються в розчині й безпосередньої участі в цьому перетворенні не беруть.
5. Інші основні оксиди та кислоти
Розглянемо кальцій оксид CaO. На відміну від CuO, він активно реагує навіть із водою, але з хлоридною кислотою також утворює сіль і воду. Рівняння реакції:
CaO + 2HCl → CaCl₂ + H₂O
Механізм у спрощеному вигляді аналогічний. Йони H⁺ взаємодіють з Оксигеном оксиду, утворюється вода, а йони Ca²⁺ переходять у розчин. Разом із хлорид-іонами вони відповідають складу солі кальцій хлориду CaCl₂.
Розглянемо ще один приклад — магній оксид MgO та нітратну кислоту HNO₃:
MgO + 2HNO₃ → Mg(NO₃)₂ + H₂O
У цьому випадку утворюється магній нітрат. Йон Mg²⁺ має заряд +2, а нітрат-іон NO₃⁻ — заряд −1, тому формула солі — Mg(NO₃)₂. Отже, для типових реакцій основних оксидів із кислотами діє загальна схема:
Основний оксид + кислота → сіль + вода.
6. Як правильно скласти рівняння?
Розглянемо реакцію ферум(III) оксиду Fe₂O₃ із хлоридною кислотою. У Fe₂O₃ Ферум має ступінь окиснення +3, тому утворюється ферум(III) хлорид FeCl₃. Спочатку записуємо схему реакції:
Fe₂O₃ + HCl → FeCl₃ + H₂O
Тепер урівнюємо кількість атомів. У лівій частині є два атоми Феруму, тому перед FeCl₃ ставимо коефіцієнт 2. Три атоми Оксигену переходять до трьох молекул води, для яких потрібно шість атомів Гідрогену. Отже, перед HCl ставимо коефіцієнт 6:
Fe₂O₃ + 6HCl → 2FeCl₃ + 3H₂O
Перевіряємо кількість атомів кожного елемента в обох частинах рівняння. Феруму — по 2 атоми, Оксигену — по 3, Гідрогену — по 6, Хлору — по 6. Отже, рівняння складено правильно.
Головне, що потрібно запам’ятати
Основні оксиди в типових реакціях із кислотами утворюють сіль і воду. Йони Гідрогену кислоти взаємодіють з Оксигеном оксиду з утворенням води, а метал переходить до складу солі. Саме тому CuO, який не реагує з водою, реагує з хлоридною кислотою. У цьому й проявляється його основний характер.
Основний оксид + кислота → сіль + вода
Додаткову інформацію дивись на сторінці “Шкільна хімія“.