Sole

Sole to związki składające się z metalu i reszty kwasowej, w związku z posiadaniem w strukturze reszt kwasowych wywodzących się od kwasów niezbędne jest bardzo dobre nauczenie się ich oraz zrozumienie wyprowadzania wartościowości i ładunku reszty kwasowej.

Przypomnijmy - wartościowość reszty kwasowej wywodzącej się od danego kwasu to ilość wodoru, jaki ten kwas posiada, ładunek tejże reszty jest po prostu ujemną wartościowością. Końcówka -an sugeruje resztę kwasu tlenowego, końcówka -ek - resztę kwasu beztlenowego. Z uwagi na konieczność elektroobojętności soli - sól musi być pozbawiona ładunku całkowity ładunek dodatni (suma stopni utlenienia wszystkich kationów, najczęściej metali) musi być równy całkowitemu ładunkowi ujemnemu (suma wartościowości wszystkich reszt kwasowych). W związku z podaną zależnością znając wartościowość reszty kwasowej możemy obliczyć wartościowość metalu w soli. W przypadku soli składającej się tylko z jednego metalu i jednej reszty kwasowej iloczyn ilości atomów metalu i ich wartościowości jest równy iloczynowi ilości reszt kwasowych i ich wartościowości. W przypadku sklerozy bądź innego zapomnienia wartościowości metalu / reszty kwasowej można posłużyć się tablicą rozpuszczalności, gdzie znajdują się ładunki, a więc i wartościowości popularnych kationów i anionów. Jednocześnie należy podkreślić, iż jest to jedynie metoda pomocnicza, gdyż tablica rozpuszczalności nie zawiera wszystkich spotykanych w toku kształcenia jonów.

Kilka przykładów jak otrzymujemy wzór soli posiadając nazwę:

chlorek żelaza (III) - chlor ek określa resztę kwasową, ma końcówkę - ek mówiącą o tym że jest to reszta kwasowa kwasu chlorowodorowego (HCl, patrz tabela kwasów), kwas ten ma jeden wodór więc po jego odrzuceniu otrzymujemy, iż reszta kwasowa to Cl ^- , jednocześnie z uwagi na ilość wodorów (jeden) w kwasie wartościowość wynosi I, a ładunek -1. Przechodzimy do ustalenia metalu - żelazo ma symbol Fe, z uwagi na to, że mamy podaną wartościowość (a więc i dodatni ładunek kationów metalu) możemy napisać jon metalu jako Fe ³⁺ . Wzór soli wyprowadzamy pisząc najpierw symbol kationu metalu, następnie symbol anionu reszty kwasowej: Fe ³⁺ Cl ^- . Aby zrównoważyć ładunki (ilość ładunku dodatniego, "plusów" była równa wartości ładunku ładunku ujemnego "minusów") widać iż jednemu żelazu (3 plusy) muszą odpowiadać trzy chlorki (3x 1minus), więc wzór soli to FeCl ₃ . Analogiczne wyprowadzenie wzoru można stosować używają pojęcia wartościowości. Żelazo ma wartościowość III, reszta chlorkowa I, więc można zapisać Fe ^III Cl ^I . Posługując się metodą krzyżową przerzucamy III do chloru, a I do żelaza dostajemy Fe ₁ Cl ₃ .

Siarczan (VI) glinu. Siarczan (VI) określa resztę kwasową, końcówka -an świadczy o tym, iż jest to kwas tlenowy, po sprawdzeniu w tabeli kwasów kwas siarkowy (VI) to H ₂ SO ₄ , więc po odrzuceniu wodorów dostajemy wzór reszty – \(SO_{4}\) o ładunku ujemnym równym ilości wodorów w kwasie (-2). Nie mamy podanej wartościowości bądź stopnia utlenienia glinu, więc sprawdzamy w układzie okresowym - glin jest w grupie 13, więc jego wartościowość najpewniej jest równa 3, a ładunek +3. Po zapisaniu danych dochodzimy do wzoru Al ^III SO4 ^II . Stosując metodę krzyżową dostajemy wzór: \(Al_{2}\left( SO_{4} \right)_{3}\) _. Z uwagi na to, iż reszty siarczanowe są trzy całą resztę kwasową umieszczany w nawiasie!!!

Węglan cynku - Po sprawdzeniu w tabeli widzimy, iż reszta węglan pochodzi od kwasu węglowego – \(H_{2}CO_{3}\) . Kwas ten jest dwuprotonowy (ma dwa wodory), więc wartościowość reszty kwasowej jest równa 2, a jej wzór to CO ₃ ^2- . W związku z brakiem wartościowości tego metalu sprawdzamy jego położenie w układzie (12 grupa), więc jego wartościowość jest równa dwa. Następnie przystępujemy to ustalenia wzoru tego związku, zapisujemy metal i resztę kwasową wraz z wartościowościami: Zn ^II CO ₃ ^II , następnie przepisujemy wartościowości na krzyż: Zn ₂ (CO ₃ ) ₂ , skracając je do najmniejszych wspólnych wielkości (do jedynek): Zn ₁ (CO ₃ ) ₁ , co można zapisać pomijając współczynniki, jako ZnCO ₃ .

Nazywanie soli i ustalanie wartościowości metalu w solach.

Do nazwania soli potrzebne jest właściwe rozpoznanie metalu i reszty kwasowej, praktycznie zawsze w związkach nieorganicznych metal (bądź metale) są z przodu, a tyłu jest reszta kwasowa, taka jak wymieniona w tabelce z kwasami.

Bardzo często zdarza się, iż musimy ustalić wartościowość metalu w danej soli (szczególnie jeżeli metal występuje na więcej niż jednym stopniu utlenienia). Pierwszym krokiem w tym celu jest właściwe rozpoznanie rodzaju reszty kwasowej, z którego jest zbudowana sól, znając dobrze kwasy lub posługując się tabelką lub ściągą powinniśmy to zrobić bez problemu. Ogólna zasada mówi, iż iloczyn wartościowości metalu i ich ilości powinien być równy iloczynowi wartościowości reszty kwasowej i ich ilości (wynika to z bilansu ładunku - ilość ładunków dodatnich powinna być równa ilości ładunków ujemnych). Przyjrzyjmy się kilku przykładom:

Na ₂ SO ₄ - reszta kwasowa to SO ₄ - rozpoznajemy ją jako siarczan (VI) - więc jest dwuwartościowa (SO ₄ ^2- ), jest jedna w soli, kationem metalu jest Na - sód, położony jest w pierwszej grupie, więc powinien być jednododatni. Możemy potwierdzić to przez ułożenie układu równań, gdzie przez W oznaczam wartościowość:

\[2·W_{Na}\ = \ 1·W_{SO_{4}}\]

\[2·W_{Na}\ = \ 1·2\]

\[W_{Na} = 1\]

Widzimy, iż wartościowość sodu w tym związku jest jeden, co jest zgodne z przewidywaniami. Nazwę soli tworzymy przez podanie nazwy reszty kwasowej wraz z wartościowością atomu centralnego, a następnie metalu (z wartościowością tam, gdzie jest to wymagane). Tę sól będziemy się nazywać siarczan (VI) sodu. Analogicznie Fe Br ₃ - reszta kwasowa to \(\mathbf{B}\mathbf{r}^{\mathbf{-}}\) reszta bromkowa od kwasu bromowodorowego (H Br ), jej wartościowość wynosi jeden. Obliczamy wartościowość żelaza

\[1·W_{Fe}\ = \ 3·W_{Br}\]

\[1·W_{Fe}\ = \ 3·1\]

\[W_{Fe} = 3.\]

Nazywamy sól jako bromek żelaza (III).

Al P O ₄ - reszta to P O ₄ - fosforan (V) - reszta kwasu fosforowego (V), kwas ten posiada trzy wodory więc jego reszta jest trójwartościowa. Glin jest w grupie 13, powinien być też trójwartościowy, ale sprawdźmy:

1*W _Al = 1*W _PO4

1*W _Al = 1*3

W _Al =3.

Wartościowość glinu jest zgodna z przewidywaniami, więc nazwa to fosforan (V) glinu.

Zawsze zadawane jest pytanie dla jakich metali podawać wartościowość, a dla jakich nie. Wychodzę z założenia, iż nie podajemy wartościowości dla metali 1, 2, 3 grupy (tu jest równa numerowi grupy), grupy 12 (w tym wypadku jest równa 2) oraz dla glinu (wynosi zawsze 3) natomiast dla całej reszty podajemy. W przypadku bloku p dopuszczalne wartościowości w zasadzie są równe numerowi grupy -10 lub -12 tzn. dla grupy 13 dopuszczalne wartościowości to 3 i 1, dla grupy 14 dopuszczalne to 4 i 2, co wynika z obsadzenia orbitali na podpowłokach walencyjnych s i p. W bloku d, za wyjątkiem grupy 12 – co wynika z pełnego obsadzenia orbitali d, jest występują różne stopnie utlenienia i kategorycznie należy podawać wartościowość metalu.

Sole otrzymywanie:

Istnieje wiele sposób otrzymywania soli, metody te można podzielić na kwasowo - zasadowe, utleniające i strąceniowe. Metody strąceniowe omówione są w dalszej części skryptu, przy omówienia rozpisywania równań jonowych. Reakcje otrzymywania soli można usystematyzować w postaci tabeli, metal, jak i jego prekursor – wodorek, tlenek i wodorotlenek może być zarówno zasadowy jak i amfoteryczny. Należy podkreślić, iż w przypadku soli kwasów beztlenowych metody otrzymywania są trochę inne niż w przypadku soli kwasów tlenowych:

Ustalenie gazu wydzielanego w reakcji metalu z kwasem (i czy w ogóle reakcja zachodzi) wymaga wykorzystania odrębnej tabelki i zależy od charakteru kwasu oraz metalu. Przedstawione to zostało w reakcjach metali, w dalszej części tekstu przedstawione zostały przykłady, gdzie wydziela się wodór.

Rozpatrzmy następujące reakcje z przykładowej tabelki:

Dlaczego otrzymujemy takie związki?

W reakcja glin przyjmuje wartościowość III (tworzy trójdodatnie kationy Al ³⁺ ), gdyż jest w 13 grupie. W przemianie z kwasem chlorowodorowym otrzymywać będziemy sól kwasu chlorowego, posiadająca, jako resztę kwasową jony \(Cl^{-}\) , które są jedno wartościowe. Z tą wiedzą możemy ustalić wzór soli jako \(AlCl_{3}\) . Po zapisaniu reakcji, wraz z produktami przystępujemy do bilansu:

\(Al\ + H\mathbf{Cl}\ \rightarrow Al\mathbf{C}\mathbf{l}_{3}\ + H_{2}\)

bilansując otrzymujemy:

\[2Al\ + 6H\mathbf{Cl}\ \rightarrow 2Al\mathbf{C}\mathbf{l}_{3}\ + 3H_{2}\]

Analogicznie siarka jest prekursorem kwasu siarkowodorowego H ₂ S , więc jego resztka kwasowa jest dwuwartościowa. Wzór soli ustalimy jako Al ₂ S ₃ , po napisaniu produktów i substratów reakcji dostajemy:

\[Al\ + \mathbf{S}\ \rightarrow Al_{2}\mathbf{S}_{3}.\]

Bilans nie przedstawia trudności:

\[2Al\ + 3S\ \rightarrow Al_{2}\mathbf{S}_{3}\]

W przypadku reakcji wodorku wapnia z kwasem solnym możemy wiemy, iż otrzymamy sól kationów wapnia i anionów chlorkowych. Wzór tej soli możemy ustalić jako Ca Cl ₂ - w końcu wapń jest w 2 grupie, a kwas solny – H Cl – jest kwasem jednoprotonowym. Po zbilansowaniu reakcji możemy zapisać równanie:

\[CaH_{2}\ + 2H\mathbf{Cl}\ \rightarrow \ Ca\mathbf{C}\mathbf{l}_{2}\ + \ 2H_{2}\]

W celu ustalenia wzoru soli otrzymanej przez reakcję Fe ₂ O ₃ z kwasem solnym należy wpierw określić stopień utlenienia żelaza w tym związku. Po sprawdzeniu okazuje się, iż żelazo jest na III stopniu utlenienia, więc i uzyskana sól będzie zawierała żelazo na stopniu utlenienia III. Reszta kwasu solnego jest jednowartościowa, więc otrzymamy chlorek żelaza (III), Fe Cl ₃ . Następnie przechodzimy do zapisania reakcji i jej bilansu

\[Fe_{2}O_{3}\ + \ 6H\mathbf{Cl}\ \rightarrow 2Fe\mathbf{C}\mathbf{l}_{3} + 3H_{2}O\]

Aby ustalić produkt reakcji Fe ₂ O ₃ z S O ₃ musimy określić zarówno stopień utlenienia żelaza, co już zostało popełnione wyżej, jak i wzór kwasu, który pochodzi od SO ₃ . Tym kwasem jest kwas siarkowy (VI), H ₂ SO ₄ . Kwas ten dwuprotonowy, więc jego reszta kwasowa jest dwuwartościowa. Otrzymany związek powinien być siarczanem (VI) żelaza(III), jego wzór ustalamy zgodnie z regułami ustalania wzorów dla soli jako Fe ₂ (SO ₄ ) ₃ . Następnie zapisujemy reakcję i ją bilansujemy:

\[\ Fe_{2}O_{3}\ + \ 3SO_{3}\ \rightarrow \ Fe_{2}\left( SO_{4} \right)_{3}\]

Produkt reakcji Zn(OH) ₂ z HCl ustalamy w sposób analogiczny - cynk jest w wodorotlenku dwuwartościowy więc otrzymamy tu pochodną cynku (II) z chlorkiem jako jednowartościową resztą kwasową. Związek ten powinien mieć wzór ZnCl ₂ . Po napisaniu reakcji i jej zbilansowaniu otrzymujemy:

\[Zn(OH)_{2}\ + \ 2\ HCl\ \rightarrow ZnCl_{2} + \ 2\ H_{2}O\]

W przypadku reakcji wodorotlenku cynku z tlenkiem siarki(VI) otrzymujemy sól dwuwartościowego cynku z resztą kwasu wywodzącego się z tlenku siarki (VI). Po sprawdzeniu w tabeli kwasów wiemy, iż tym kwasem jest kwas siarkowy(VI) - H ₂ SO ₄ . Kwas ten zawiera dwa wodory, więc jego reszta kwasowa również jest dwuwartościowa. Wzór produktu ustalamy jako ZnSO ₄ . Po zapisaniu i zbilansowaniu otrzymujemy:

\[Zn(OH)_{2}\ + \ H_{2}SO_{4}\ \rightarrow \ ZnSO_{4} + \ 2\ H_{2}O\]

W celu otrzymania założonej w zadaniu soli należy zapisać wpierw jej wzór, ustalić wzór kwasu (i typ) jaki musimy wykorzystać oraz wartościowość metalu, a następnie zapisać i zbilansować reakcje. Załóżmy, iż chcemy otrzymać azotan (III) baru. Bar, jest w drugiej grupie, kwas azotowy (III) ma wzór HNO ₂ i jest kwasem jednoprotonowym, więc reszta kwasowa \(NO_{2}^{-}\) jest również jednowartościowa. Z tą wiedzą przystępujemy do ustalenia wzoru oczekiwanego produktu, powinno wyjść Ba(NO ₂ ) ₂ . Sól ta jest solą kwasu tlenowego, więc interesują nas dwie pierwsze kolumny tabeli. Kolejne reakcje mają postać:

Metalem jest bar, kwasem HNO ₂ , więc równanie reakcji między nimi ma postać:

\[Ba\ + \ 2HNO_{2}\ \rightarrow \ Ba\left( NO_{2} \right)_{2}\ + \ H_{2}\]

analogicznie dla wodorku baru (którego wzór wyprowadzamy wykorzystując położenie baru w drugiej grupie układu okresowego) BaH ₂ :

\[BaH_{2}\ + \ 2HNO_{2}\ \rightarrow \ Ba\left( NO_{2} \right)_{2}\ + \ 2H_{2}\ \]

Reakcja z tlenkiem baru BaO oraz jego wodorotlenkiem wyglądają następująco:

\[BaO\ + \ 2HNO_{2} \rightarrow \ Ba\left( NO_{2} \right)_{2}\ + \ H_{2}O\]

\[Ba(OH)_{2}\ + \ 2HNO_{2}\ \rightarrow \ Ba\left( NO_{2} \right)_{2}\ + \ 2H_{2}O\]

Aby poprawnie przeprowadzić i co ważniejsze zapisać reakcję syntezy z udziałem tlenku kwasowego musimy stwierdzić, z jakiego tlenku pochodzi kwas azotowy (III) - wystarczy sięgnąć do tablic kwasów, albo stwierdzić, iż azot w kwasie jest trójwartościowy, więc jego tlenek również musi mieć azot trójwartościowy, więc ma wzór N ₂ O ₃ . Następnie przystępujemy do zapisu reakcji:

\[BaO\ + \ N_{2}O_{3} \rightarrow \ Ba\left( NO_{2} \right)_{2}\]

\[Ba(OH)_{2}\ + \ N_{2}O_{3}\ \rightarrow \ Ba\left( NO_{2} \right)_{2}\ + \ H_{2}O\]

Analogicznie jak w przypadku syntezy kwasów, użycie tlenków kwasowych, dla których nie istnieją kwasy na odpowiednim stopniu utlenienia prowadzi do otrzymania mieszaniny soli dwóch kwasów np. tlenek P ₄ O ₈ - nie ma swojego kwasu - fosforowego (IV), a istnieje kwas fosforowy (III) H ₃ PO ₃ i kwas fosforowy (V) H ₃ PO ₄ , więc ich sole będziemy otrzymywać. Przed zapisaniem reakcji należy ustalić ich wzór.

Dla reakcji tego tlenku z np. tlenkiem sodu jedynymi produktami będą fosforan (III) sodu - Na ₃ PO ₃ oraz fosforan (V) sodu - Na ₃ PO ₄ . Umieśćmy tą mądrość w równaniu reakcji

\[Na_{2}O\ + \ P_{4}O_{8}\ \rightarrow \ Na_{3}PO_{3}\ + \ Na_{3}PO_{4}\]

po zbilansowaniu równanie reakcji

\[6Na_{2}O\ + \ P_{4}O_{8} \rightarrow \ 2Na_{3}PO_{3} + \ 2Na_{3}PO_{4}\]

Analogicznie w reakcji wodorotlenku miedzi (II) z tlenkiem diazotu (IV) otrzymamy sole kwasów: azotowego (III) oraz azotowego (V). Wpierw należy ustalić wzory tych produktów: dla kwasu fosforowego (III) produktem będzie azotan (III) miedzi (II) - Cu(NO ₂ ) ₂ oraz azotan azotan (V) miedzi (II) - Cu(NO ₃ ) ₂ oraz woda. Po zapisaniu reakcji i jej zbilansowaniu otrzymujemy:

\[2\ Cu(OH)_{2}\ + \ 2\ N_{2}O_{4} \rightarrow \ Cu\left( NO_{2} \right)_{2}\ + \ Cu\left( NO_{3} \right)_{2}\ + \ 2\ H_{2}O\]

Fluorowce również reagują z wodą tworząc dwa kwasy, więc dla reakcji z wodorotlenkami i tlenkami metali też otrzymuje się mieszani soli - kwasu halogenowodorowego oraz halogenowego (I), np. dla reakcji wodorotlenku sodu z chlorem otrzymujemy sól sodową kwasu chlorowodorowego, NaCl oraz sól sodową kwasu chlorowego (I), NaClO.

\[NaOH\ + Cl_{2} \rightarrow \ NaCl\ + \ NaClO\ + H_{2}O\]

Te same sole powstaną w reakcji tlenku sodu i chloru :

\[Na_{2}O\ + Cl_{2} \rightarrow NaCl\ + \ NaClO\]

W reakcjach mieszanych tlenków (jak Fe ₃ O ₄ ), które zbudowane są z metalu na dwóch różnych stopniach utlenienia otrzymujemy dwie różne sole metalu różniące się stopniem utlenienia w takiej proporcji w jakiej metal ten występuje w soli. Tlenek Fe ₃ O ₄ zbudowany jest z FeO i Fe ₂ O ₃ , czyli w tym wypadku na jedno żelazo o stopniu utlenienia +II przypadają dwa żelaza o stopniu utlenienia (+III). Reagując ten tlenek z kwasem siarkowym (VI) otrzymywać będziemy dwie różne sole - siarczan (VI) żelaza (II) oraz siarczan (VI) żelaza (III) oraz wodę. Zapiszmy to:

\[Fe_{3}O_{4}\ + \ H_{2}SO_{4} \rightarrow \ FeSO_{4}\ + Fe_{2}\left( SO_{4} \right)_{3}\ + \ H_{2}O\]

po zbilansowaniu otrzymamy

\[Fe_{3}O_{4}\ + \ 4H_{2}SO_{4} \rightarrow FeSO_{4}\ + Fe_{2}\left( SO_{4} \right)_{3}\ + \ 4H_{2}O\]

Jak widać w produktach rzeczywiście na jeden atom żelaza (II) przypadają dwa atomy żelaza (III).

W reakcji tego tlenku z N ₂ O ₅ będziemy otrzymywać sole kwasu azotowego (V) HNO ₃ - w końcu ten tlenek jest bezwodnikiem kwasu azotowego(V), odpowiedni azotan (V) żelaza (III) oraz azotan (V) żelaza (II), tak aby ilość atomów żelaza(III) była dwa razy większa niż żelaza(II). Ustalmy wzory produktów: azotan(V) żelaza(II) to Fe(NO ₃ ) ₂ a azotan(V) żelaza(III) to Fe(NO ₃ ) ₃ . Zapiszmy równanie reakcji:

\[Fe_{3}O_{4}\ + \ N_{2}O_{5}\ \rightarrow \ Fe\left( NO_{3} \right)_{3}\ + \ Fe\left( NO_{3} \right)_{2}\]

Po zbilansowaniu otrzymujemy:

\[Fe_{3}O_{4}\ + 4N_{2}O_{5}\ \rightarrow 2\ Fe\left( NO_{3} \right)_{3}\ + \ Fe\left( NO_{3} \right)_{2}\]

W przypadku reakcji, w której reagujemy mieszany tlenek metalu i tlenek niemetalu, który nie posiada "swojego" kwasu otrzymamy mieszaninę złożoną z maksymalnie czterech różnych soli. Rozpatrzmy reakcję Pb ₃ O ₄ z Cl ₂ O ₆ . Pb ₃ O ₄ możemy zapisać jako tlenek złożony z dwóch tlenków ołowiu (II) PbO oraz tlenku ołowiu (IV) PbO ₂ , więc będziemy otrzymywać sole ołowiu (II) i ołowiu (IV), w proporcji 2:1. Chlor w użytym tlenku jest na VI stopniu utlenienia, więc uzyskamy sole kwasów: chlorowego (V) oraz chlorowego (VII). Zapiszmy wszystkie możliwości w równaniu reakcji:

\[Pb_{3}O_{4}\ + \ Cl_{2}O_{6}\ \rightarrow \ Pb\left( ClO_{3} \right)_{4}\ + \ Pb\left( ClO_{4} \right)_{4}\ + \ Pb\left( ClO_{3} \right)_{2} + \ Pb\left( ClO_{4} \right)_{2}\]

bilansując na początku ołów otrzymujemy:

\[Pb_{3}O_{4}\ + \ Cl_{2}O_{6}\ \rightarrow \ Pb\left( ClO_{3} \right)_{4}\ + \ Pb\left( ClO_{4} \right)_{4}\ + 2\ Pb\left( ClO_{3} \right)_{2} + \ 2Pb\left( ClO_{4} \right)_{2}\]

Po bilansie chloru otrzymany:

\[Pb_{3}O_{4}\ + 8\ Cl_{2}O_{6}\ \rightarrow \ Pb\left( ClO_{3} \right)_{4}\ + \ Pb\left( ClO_{4} \right)_{4}\ + \ 2Pb\left( ClO_{3} \right)_{2} + \ 2Pb\left( ClO_{4} \right)_{2}\]

Reakcja ta jest poprawnie zapisana, ale istnieje możliwość jej uproszczenia pod warunkiem, że większość otrzymywanych soli jest dobrze rozpuszczalna. Wynika to z występowania anionów i kationów w roztworach wodnych dobrze rozpuszczalnych soli oddzielnie.