Wodorotlenki – ich budowa i otrzymywanie
Gdy do wody wrzucisz sól lub cukier, po prostu się rozpuszczą – powstanie roztwór, czyli mieszanina jednorodna. Co się stanie, gdy do wody wrzucimy metal lub jego tlenek? Czy w obu przypadkach reakcja będzie taka sama? Co powstanie: mieszanina czy związek chemiczny? W jak sposób możemy to sprawdzić?
„Aktywny” znaczy: czynny, dynamiczny, energiczny, przebojowy. Jaki zatem metal nazywamy „aktywnym”?
wartościowość atomów metali w związkach chemicznych;
sposób tworzenia wiązania jonowego i jego charakterystykę;
sposób zapisu wzorów związków chemicznych, na podstawie znajomości wartościowości atomów pierwiastków tworzących te związki;
metody identyfikacji wodoru wydzielającego się z naczynia reakcyjnego;
sposób zapisu równań reakcji chemicznych.
definiować pojęcia „wodorotlenek” i „zasada”;
zapisywać nazwy wodorotlenków w oparciu o ich wzory i odwrotnie;
wymieniać i opisywać metody otrzymywania wodorotlenków oraz zapisywać odpowiednie równania reakcji;
projektować doświadczenia pozwalające na otrzymanie wodorotlenku w reakcji odpowiedniego metalu lub tlenku metalu z wodą;
podawać przykłady metali i tlenków metali reagujących z wodą;
identyfikować produkty reakcji metali aktywnych z wodą;
podawać przykłady wskaźników kwasowo‑zasadowych oraz określać ich barwę w wodzie i w zasadach.
1. Wodorotlenki – budowa
WodorotlenkiWodorotlenki to związki chemiczne o budowie jonowej, utworzone z kationów metalu () i anionów wodorotlenkowych (). Jony te przyciągają się w wyniku działania sił elektrostatycznych, tworząc sieć krystalicznąsieć krystaliczną. Wodorotlenki nie tworzą zatem cząsteczek i, jak większość związków o opisanej budowie, są substancjami o stałym stanie skupienia oraz odznaczają się wysokimi temperaturami wrzenia i topnienia.
Ponieważ jon wodorotlenkowy ma wartościowość równą , ogólny wzór wodorotlenków możemy zapisać jako:
gdzie: – symbol metalu; – liczba jonów wodorotlenkowych równa wartościowości metalu (pamiętaj, że we wzorach sumarycznych związków chemicznych nie zapisujemy indeksów stechiometrycznych o wartości ).
Nazwy wodorotlenków tworzymy przez dodanie do słowa „wodorotlenek” nazwy metalu tworzącego dany związek (w dopełniaczu) oraz, jeśli jest taka potrzeba, wartościowości metalu. Przykładowo, jeśli pierwiastkiem wchodzącym w skład wodorotlenku jest sód, którego atomy w związkach chemicznych przyjmują wartościowość równą (sód położony jest w grupie układu okresowego), to wzór sumaryczny wodorotlenku ma postać:
a jego nazwa to: wodorotlenek sodu.
W skład sieci krystalicznej wodorotlenku sodu wchodzą kationy sodu () i aniony wodorotlenkowe (). Fragment modelu wspomnianej sieci krystalicznej analizowanego wodorotlenku przedstawia poniższa grafika.
Wartościowość atomów metali i grupy układu okresowego jest w związkach chemicznych zawsze taka sama (atomy metali grupy układu okresowego w związkach chemicznych mają wartościowość równą , a atomy metali grupy układu okresowego wartościowość równą ). Podobna sytuacja ma miejsce dla atomów cynku (wartościowość jego atomów w związkach chemicznych wynosi ) oraz glinu (wartościowość ). Nazwy wodorotlenków wymienionych metali tworzymy analogicznie do nazwy wodorotlenku sodu – bez podawania wartościowości metalu. W przypadku wodorotlenków pozostałych metali, do nazwy wodorotlenku dodaje się w nawiasie cyfrę rzymską, która określa wartościowość atomów metalu w rozpatrywanym związku chemicznym.
Przykładowo żelazo może tworzyć wodorotlenek, w którym wartościowość atomów metalu równa jest :
lub :
W skład sieci krystalicznej wodorotlenku żelaza() wchodzą kationy żelaza() () oraz aniony wodorotlenkowe (), a sieć krystaliczna wodorotlenku żelaza() zbudowana jest z kationów żelaza() () i anionów wodorotlenkowych ().
2. Rozpuszczalność wodorotlenków w wodzie
Wodorotlenki wykazują zróżnicowaną rozpuszczalność w wodzie. Przykładowo, wodorotlenek sodu i wodorotlenek potasu są bardzo dobrze rozpuszczalne w wodzie, podczas gdy np. wodorotlenek cynku oraz wodorotlenek glinu są właściwie nierozpuszczalne. To, czy dany wodorotlenek dobrze rozpuszcza się w wodzie, możemy sprawdzić w tabeli rozpuszczalności, której fragment znajduje się poniżej.
Przeanalizuj zamieszczony poniżej fragment tabeli rozpuszczalności wodorotlenków, a następnie zapisz wzory oraz nazwy wodorotlenków praktycznie nierozpuszczalnych w wodzie (w tabeli oznaczone jako N).
Zapoznaj się z zamieszczonymi poniżej informacjami, dotyczącymi tabeli rozpuszczalności, a następnie rozwiąż zadanie umieszczone poniżej.
Tabela rozpuszczalności obrazuje rozpuszczalność związków. Tworzy się ją w ten sposób, że na jednej osi umieszcza się kationy, a na drugiej aniony. W miejscu przecięcia się linii, wyznaczonych przez interesujący nas kation i anion, znajduje się literowe oznaczenie, które informuje o rozpuszczalności tej substancji. Tabele zwykle dotyczą rozpuszczalności w wodzie o wybranej temperaturze. Oznaczenia stosowane w tabelach:
R – substancja dobrze rozpuszczalna w wodzie;
N – substancja praktycznie nierozpuszczalna w wodzie;
T – substancja trudno rozpuszczalna w wodzie, która wytrąca się przy odpowiednim stężeniu roztworu.
Wodne roztwory wodorotlenków to tak zwane zasadyzasady. Mówiąc „zasada sodowa”, mamy więc na myśli „wodny roztwór wodorotlenku sodu”.
3. Wskaźniki
Obecność w roztworze wodnym wodorotlenku rozpuszczalnego w wodzie można wykryć, używając do tego substancji zwanych wskaźnikami kwasowo‑zasadowymiwskaźnikami kwasowo‑zasadowymi (lub indykatorami), które zmieniają swoją barwę w zależności od odczynu roztworuodczynu roztworu, będącego cechą charakteryzującą roztwory wodne.
Wielu wskaźników kwasowo–zasadowych używamy mniej lub bardziej świadomie na co dzień. Herbata, do której dodamy sok z cytryny, zmienia pod jego wpływem zabarwienie na jaśniejsze. Podobnie, gdy do soku z buraków dodamy sok z cytryny (kwas cytrynowy) lub ocet (kwas octowy) – pod wpływem wymienionych substancji przyjmie intensywny czerwony kolor.
W laboratorium chemicznym, do badania odczynu roztworów i zarazem identyfikacji niektórych substancji rozpuszczalnych w wodzie, jako wskaźników używa się między innymi alkoholowego roztworu fenoloftaleiny, wodnego roztworu oranżu metylowego oraz uniwersalnego papierka wskaźnikowego. W warunkach domowych jako indykator może posłużyć wywar z liści czerwonej kapusty.
Wodne roztwory wodorotlenków rozpuszczalnych w wodzie charakteryzują się odczynem zasadowym. Z kolei czysta woda ma odczyn obojętny. W poniższej tabeli znajdują się nazwy wybranych wskaźników kwasowo‑zasadowych oraz ich barwy, w zależności od środowiska, w jakim się znajdują (woda lub wodny roztwór wodorotlenku). Zapoznaj się z informacjami zawartymi w tabeli i odpowiedz na pytanie, czy wszystkich z wymienionych wskaźników można użyć w celu odróżnienia wody destylowanej od wodnego roztworu wodorotlenku. Odpowiedź uzasadnij.
4. Otrzymywanie wodorotlenków
Sprawdź, czy po wprowadzeniu kawałka metalicznego sodu do wody destylowanej uzyskasz roztwór o odczynie zasadowym. W tym celu przeprowadź doświadczenie Przygotuj niezbędne odczynniki i sprzęt laboratoryjny. Wybierz hipotezę i zweryfikuj ją, przeprowadzając doświadczenie wg załączonej instrukcji. Jeśli nie masz możliwości samodzielnego przeprowadzenia doświadczenia, zapoznaj się z filmem z jego wykonania. Napisz obserwacje oraz sformułuj odpowiedni wniosek. Przeprowadzając doświadczenie, samodzielnie zadbaj o środki ochrony osobistej.
Przeprowadzono doświadczenie, w którym sprawdzono, czy po wprowadzeniu kawałka metalicznego sodu do wody destylowanej, uzyskany zostanie roztwór o odczynie zasadowym.
Problem badawczy:
Czy po wprowadzeniu sodu do wody destylowanej, można otrzymać wodny roztwór wodorotlenku sodu?
Hipoteza:
Po wprowadzeniu sodu do wody destylowanej można otrzymać wodny roztwór wodorotlenku sodu.
Co było potrzebne:
krystalizator;
woda destylowana;
wywar z czerwonej kapusty;
kawałek sodu wielkości ziarna ryżu;
pęseta;
bibuła;
nóż.
Przebieg doświadczenia:
Do krystalizatora nalano wody destylowanej i dodano kilka kropel wywaru z czerwonej kapusty. Za pomocą pęsety wyjęto sód z oleju mineralnego, dokładnie go osuszono bibułą i odkrojono kawałek wielkości ziarna ryżu. Do krystalizatora z wodą destylowaną z dodatkiem wywaru z czerwonej kapusty wrzucono przygotowany kawałek sodu (pozostałą, niewykorzystaną część sodu schowano z powrotem do oleju mineralnego). Obserwowano zachodzące zmiany.
Obserwacje:
Sód unosi się na powierzchni wody. Metaliczne ciało stałe ulega w wodzie roztworzeniu. Wydziela się bezbarwny (bezwonny) gaz. Roztwór w krystalizatorze zmienia barwę z fioletowej na zieloną. W wyniku zachodzącej przemiany, krystalizator stał się ciepły.
Wnioski:
Sód ma gęstość mniejszą od gęstości wody. Reaguje z nią, a obserwowana zmiana zabarwienia wywaru z czerwonej kapusty pozwala wnioskować, że powstaje wodny roztwór wodorotlenku sodu.
Podsumowanie doświadczenia
Sód gwałtownie reaguje z wodą, a odnotowana zmiana zabarwienia wywaru z czerwonej kapusty (z fioletowego na zielony) pozwala na stwierdzenie, że w wyniku zachodzącej reakcji chemicznej uzyskano roztwór o odczynie zasadowym. Biorąc pod uwagę wykorzystane odczynniki chemiczne (sód i wodę destylowaną), można wnioskować, że substancja obecna w roztworze wodnym po reakcji to wodorotlenek sodu. Wydzielającym się gazem, w wyniku zachodzącej reakcji chemicznej, jest wodór.
Równanie reakcji chemicznej, która ma miejsce w układzie doświadczalnym, wygląda następująco:
Wykorzystując poniższą symulację, sprawdź, w jaki sposób użyte w niej metale zachowują się wobec wody. Następnie zapisz obserwacje.
Wykonano doświadczenie, w którym sprawdzono, w jaki sposób reagują z wodą magnez i miedź. W tym celu próbki metali wrzucono do probówek z wodą destylowaną z dodatkiem alkoholowego roztworu fenoloftaleiny. Potem je ogrzano, a do ich wylotu zbliżono zapaloną zapałkę. Zaznacz zdanie, które poprawnie opisuje obserwacje, poczynione podczas doświadczenia.
Jedną z laboratoryjnych metod otrzymywania wodorotlenków jest reakcja niektórych metali z wodą. Tak zwane metale aktywne (a więc należące do oraz grupy układu okresowego, z wyjątkiem berylu) w większości reagują z wodą już w temperaturze pokojowej (magnez reaguje z wodą w widoczny sposób dopiero w podwyższonej temperaturze). W wyniku reakcji chemicznej metalu z wodą, oprócz wodorotlenku powstaje również wodór. Równanie omówionej reakcji chemicznej można opisać schematem:
Litowce reagują z wodą gwałtowniej niż berylowce. Do reakcji z wodą nie stosuje się jednak fransu i radu – to metale promieniotwórcze.
W obrębie grupy układu okresowego, aktywność metali rośnie ze wzrostem liczby atomowej, a w obrębie okresu – rośnie wraz ze zmniejszaniem się liczby atomowej, tak jak to przedstawiono na poniższej grafice.
Związane jest to ze zwiększającą się odległością elektronów walencyjnych od jądra atomowego w atomach metali, co skutkuje łatwością atomu do oddawania elektronów podczas tworzenia wiązań jonowych.
Metale pozostałych grup układu okresowego (np. miedź), podobnie jak wspomniany już beryl, są mniej aktywne i nie reagują z wodą. Ich trudno rozpuszczalne w wodzie wodorotlenki metali otrzymuje się innymi metodami.
Sprawdź, w jaki sposób tlenek wapnia zachowuje się wobec wody. W tym celu przeprowadź doświadczenie Przygotuj niezbędne odczynniki i sprzęt laboratoryjny. Wybierz hipotezę i zweryfikuj ją, przeprowadzając doświadczenie wg załączonej instrukcji. Napisz obserwacje oraz sformułuj odpowiedni wniosek. Przeprowadzając doświadczenie samodzielnie, zadbaj o środki ochrony osobistej.
Przeprowadzono doświadczenie, w którym sprawdzono, w jaki sposób tlenek wapnia zachowuje się wobec wody.
Problem badawczy:
Czy tlenek wapnia reaguje z wodą?
Hipoteza:
Tlenek wapnia reaguje z wodą.
Co było potrzebne:
zlewka;
tlenek wapnia;
woda destylowana;
bagietka;
termometr;
alkoholowy roztwór fenoloftaleiny.
Przebieg doświadczenia:
Do zlewki wsypano niewielką ilość tlenku wapnia. Ostrożnie dolano zimnej wody, a zawartość zlewki dokładnie wymieszano bagietką. Następnie włożono termometr do zlewki i obserwowano jego wskazania. Na końcu do zawartości zlewki dodano kilka kropli alkoholowego roztworu fenoloftaleiny.
Obserwacje:
Część użytego tlenku wapnia rozpuszcza się (lub roztwarza) w wodzie. Temperatura roztworu w zlewce rośnie. Po dodaniu alkoholowego roztworu fenoloftaleiny, roztwór zabarwia się na malinowo. Pojawia się biały osad (zmętnienie).
Wnioski:
Tlenek wapnia reaguje z wodą. Obserwowana zmiana zabarwienia zawartości zlewki, po dodaniu do niej alkoholowego roztworu fenoloftaleiny, pozwala wnioskować, że w wyniku reakcji powstaje wodny roztwór wodorotlenku wapnia. Zachodząca reakcja chemiczna jest reakcją egzotermiczną.
Podsumowanie doświadczenia
Tlenek wapnia reaguje z wodą, a w wyniku zachodzącej reakcji chemicznej wydziela się ciepło – to reakcja egzoenergetyczna (egzotermiczna)reakcja egzoenergetyczna (egzotermiczna). To, że po dodaniu alkoholowego roztworu fenoloftaleiny roztwór zabarwił się na malinowo, pozwala na stwierdzenie, że w wyniku zachodzącej reakcji chemicznej uzyskano roztwór o odczynie zasadowym. Biorąc pod uwagę wykorzystane odczynniki chemiczne (tlenek wapnia i wodę destylowaną), można wnioskować, że substancja obecna w roztworze wodnym po reakcji to wodorotlenek wapnia. Równanie reakcji chemicznej, która zachodzi w trakcie wykonywania opisanego doświadczenia, ma postać:
Wykorzystując poniższą symulację, sprawdź, w jaki sposób użyte w niej tlenki metali zachowują się wobec wody. Następnie zapisz obserwacje.
Wykonano doświadczenie, w którym sprawdzono reaktywność wybranych tlenków metali z wodą. W tym celu do trzech probówek, zawierających wodę destylowaną z dodatkiem alkoholowego roztworu fenoloftaleiny, dodano kolejno tlenek sodu, tlenek magnezu i tlenek miedzi(). Zawartość każdej probówki dokładnie wymieszano za pomocą szklanej bagietki. Zaznacz zdanie, które poprawnie opisuje obserwacje poczynione podczas doświadczenia.
Jako drugą z laboratoryjnych metod otrzymywania wodorotlenków, można zastosować reakcję tlenków niektórych metali z wodą. Do wspomnianych należą tlenki metali aktywnych. Równanie omówionej reakcji chemicznej tlenków niektórych metali z wodą można opisać schematem:
Tlenki, które w reakcji z wodą tworzą zasady (a więc wodorotlenki rozpuszczalne w wodzie), to tak zwane tlenki zasadotwórcze.
Podsumowanie
Wodorotlenki to związki chemiczne, zbudowane z kationów metali i anionów wodorotlenkowych, o wzorze ogólnym: .
Nazwy wodorotlenków tworzymy, dodając do słowa „wodorotlenek” nazwę wchodzącego w jego skład metalu (w dopełniaczu) oraz, w przypadku niektórych metali, jego wartościowość.
Wodorotlenki otrzymuje się w wyniku reakcji chemicznych niektórych metali z wodą oraz tlenków niektórych metali z wodą.
Wodne roztwory wodorotlenków dobrze rozpuszczalnych w wodzie (wszystkich wodorotlenków metali z grupy układu okresowego i wybranych wodorotlenków metali z grupy ) nazywa się zasadami.
Wykorzystując dostępne Ci źródła informacji oraz wiedzę zdobytą podczas analizy tego materiału, przygotuj infografikę przedstawiającą barwy wybranych wskaźników w środowisku o odczynie obojętnym i zasadowym.
Wykorzystując dostępne Ci źródła informacji oraz wiedzę zdobytą podczas analizy tego materiału, przyporządkuj wskaźnikom kwasowo‑zasadowym barwy, jakie przyjmują w roztworach o odczynie zasadowym.
Zapisz równania reakcji chemicznych, oznaczonych na poniższym chemografie cyframi od do . Pamiętaj, że każda z reakcji prowadzi do otrzymania odpowiedniego wodorotlenku. Napisz wzory (lub symbole) i nazwy substancji oznaczonych literami od A do H. Określ typ każdej z reakcji chemicznych (synteza, analiza, wymiana).
Przyporządkuj poniższym reakcjom z udziałem wodorotlenków ich odpowiedni typ.
Słownik
pojęcie abstrakcyjne, matematyczne, oznaczające powtarzające się w przestrzeni upakowanie drobin (pod określonymi kątami i w określonej odległości)
związek chemiczny, zbudowany z kationów metalu i anionów wodorotlenkowych
wodny roztwór dobrze rozpuszczalnego wodorotlenku
(indykatory) substancje chemiczne, które zmieniają swoją barwę w zależności od odczynu środowiska (roztworu), w którym się znajdują
cecha charakteryzująca roztwory wodne; roztwór może mieć odczyn kwasowy (np. ocet), obojętny (np. wodny roztwór soli kuchennej) lub zasadowy (wodne roztwory wodorotlenków)
reakcja chemiczna, w wyniku której z układu reakcyjnego (doświadczalnego) do otoczenia wydziela się ciepło
Ćwiczenia
Oceń prawdziwość podanych informacji.
Prawda | Fałsz | |
Wszystkie metale reagują z wodą. | □ | □ |
W wyniku reakcji metalu aktywnego z wodą powstaje wodorotlenek i wydziela się wodór. | □ | □ |
W wyniku reakcji miedzi z wodą powstaje wodorotlenek miedzi. | □ | □ |
Miedź jest metalem bardziej aktywnym niż sód. | □ | □ |
W wyniku reakcji tlenku potasu z wodą wydziela się wodór. | □ | □ |
Znając zachowanie się miedzi, magnezu i sodu w wodzie z dodatkiem alkoholowego roztworu fenoloftaleiny, ustal, jakich metali użyto do kolejnych reakcji.
Analizując informacje zawarte w poniższej tabeli, dopasuj do odpowiednich komórek nazwy wskaźników kwasowo‑zasadowych, którym odpowiadają podane barwy.
Uczeń przeprowadził doświadczenie, zilustrowane na poniższym schemacie.
Uczeń przygotował cztery zlewki, w których znajdowała się woda destylowana z dodatkiem alkoholowego roztworu fenoloftaleiny. Następnie do każdej z nich wprowadził inny tlenek (wszystkie tlenki znajdowały się w postaci ciał stałych). Do zlewki nr został dodany tlenek cynku, do zlewki nr tlenek baru, do zlewki nr tlenek potasu, a do zlewki nr tlenek
żelaza().
W szkolnym laboratorium chemicznym przeprowadzono doświadczenie zilustrowane na poniższym schemacie.
W szkolnym laboratorium chemicznym przeprowadzono pewne doświadczenie. Przygotowano dwie kolby stożkowe, do których nalano wody destylowanej. Do kolby nr 1 wprowadzono próbkę metalicznego glinu, a do kolby nr próbkę metalicznego wapnia.
Bibliografia
Encyklopedia PWN.
Krzeczkowska M., Loch J., Mizera A., Repetytorium chemia. Liceum – poziom podstawowy i rozszerzony, Warszawa – Bielsko‑Biała 2010.
Litwin M., Styka‑Wlazło Sz., Szymońska J., To jest chemia 1. Chemia ogólna i nieorganiczna. Zakres roz szerzony, Warszawa 2012.
Pazdro K. M., Chemia. Pierwiastki i związki nieorganiczne, Warszawa 2012.