§ 17. Соли

Сложные химические вещества, состоящие из атомов металлов (или катионов аммония $\text{NH}_4^+$) и кислотных остатков.

• С точки зрения генетической связи, соли можно рассматривать как продукт замещения атомов водорода в молекулах кислот на атомы металлов (например, в молекуле соляной кислоты $\text{HCl}$ замещение атома $\\text{H}$ на $\text{Na}$ даёт соль $\text{NaCl}$)
• Представляют собой твёрдые кристаллические вещества с ионной кристаллической решёткой, обладающие высокими температурами плавления
• Растворимость солей в воде варьируется в широких пределах: от превосходно растворимых (все нитраты $\text{NO}_3^-$, соли натрия $\text{Na}^+$ и калия $\text{K}^+$) до практически нерастворимых (сульфат бария $\text{BaSO}_4$, хлорид серебра $\text{AgCl}$, карбонат кальция $\text{CaCO}_3$)

Систематические правила химической номенклатуры и стехиометрический алгоритм составления химических формул средних (нормальных) солей по валентности.

• 1. Алгоритм вывода формулы соли:
• Записывают рядом символ металла и формулу кислотного остатка: $\text{Me}\ \text{Ac}$
• Сверху указывают валентность металла и валентность кислотного остатка: $\overset{\text{II}}{\text{Ca}}\ \overset{\text{III}}{\text{PO}_4}$
• Находят наименьшее общее кратное (НОК) для валентностей: $\text{НОК}(2, 3) = 6$
• Делят НОК на валентность металла (индекс металла: $6 : 2 = 3$) и на валентность кислотного остатка (индекс остатка: $6 : 3 = 2$)
• Если кислотный остаток кислородсодержащий и индекс больше 1, остаток берут в круглые скобки: $\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2$
• 2. Номенклатурное правило составления названия:

$$\text{Название кислотного остатка} + \text{название металла в родительном падеже} + \text{(валентность металла, если переменная)}$$

• Соли соляной кислоты — хлориды ($\text{NaCl}$ — хлорид натрия, $\text{FeCl}_3$ — хлорид железа(III))
• Соли серной кислоты — сульфаты ($\text{Na}_2\text{SO}_4$ — сульфат натрия, $\text{CuSO}_4$ — сульфат меди(II))
• Соли азотной кислоты — нитраты ($\text{KNO}_3$ — нитрат калия, $\text{AgNO}_3$ — нитрат серебра)
• Соли угольной кислоты — карбонаты ($\text{CaCO}_3$ — карбонат кальция)
• Соли фосфорной кислоты — фосфаты ($\text{K}_3\text{PO}_4$ — фосфат калия)

Три важнейших неорганических соединения класса солей, формирующих минеральную основу гидросферы, земной коры и живых организмов.

• 1. Хлорид натрия ($\text{NaCl}$):
• Тривиальное название: поваренная или каменная соль; в минералогии — галит
• Нахождение в природе: растворён в океанах и морях (составляет около 80% от всех растворённых солей морской воды), образует мощные подземные осадочные толщи и кристаллизуется на соляных озёрах (Баскунчак, Эльтон)
• Применение: незаменимый пищевой компонент и консервант; в медицине — изотонический 0,9%-ный водный физиологический раствор для инфузий; в промышленности — сырьё для электролитического получения хлора, натрия, гидроксида натрия ($\text{NaOH}$) и соляной кислоты
• 2. Карбонат кальция ($\text{CaCO}_3$):
• Нахождение в природе: входит в состав известняка, мела, мрамора; слагает наружные скелеты кораллов, морских звёзд, раковины моллюсков, панцири морских ежей, жемчуг и скорлупу птичьих яиц; формирует карстовые пещеры (сталактиты и сталагмиты)
• Применение: строительный камень, сырьё для обжига на негашёную известь ($\text{CaO}$), производство цемента, стекла, карбида кальция, школьного мела и зубных паст
• 3. Фосфат кальция ($\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2$):
• Белое твёрдое кристаллическое вещество, нерастворимое в воде
• Нахождение в природе: слагает минералы апатиты и фосфориты; в живых организмах образует прочный минеральный каркас костей скелета позвоночных животных и человека, а также зубную эмаль
• Применение: сырьё для производства фосфорных минеральных удобрений (суперфосфата, аммофоса), кормовых добавок для животноводства и получение чистого фосфора

Солями называются сложные химические вещества, которые состоят из атомов металлов (или одновалентных катионов аммония $\text{NH}_4^+$) и кислотных остатков.

Составляем формулы, учитывая валентности металлов ($\overset{\text{I}}{\text{Na}}$, $\overset{\text{II}}{\text{Ca}}$, $\overset{\text{III}}{\text{Al}}$) и кислотных остатков:

• нитраты (остаток азотной кислоты $\text{HNO}_3$ — $\overset{\text{I}}{\text{NO}_3}$);
• сульфаты (остаток серной кислоты $\\text{H}_2\text{SO}_4$ — $\overset{\text{II}}{\text{SO}_4}$);
• фосфаты (остаток фосфорной кислоты $\\text{H}_3\text{PO}_4$ — $\overset{\text{III}}{\text{PO}_4}$).

1. Соли азотной кислоты (нитраты):

• $\text{NaNO}_3$ — нитрат натрия (растворим в воде — «Р»);
• $\text{Ca(NO}_3)_2$ — нитрат кальция (растворим в воде — «Р»);
• $\text{Al(NO}_3)_3$ — нитрат алюминия (растворим в воде — «Р»).

(Все соли азотной кислоты обладают идеальной растворимостью в воде).

2. Соли серной кислоты (сульфаты):

• $\text{Na}_2\text{SO}_4$ — сульфат натрия (растворим в воде — «Р»);
• $\text{CaSO}_4$ — сульфат кальция (малорастворим в воде — «М»);
• $\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3$ — сульфат алюминия (растворим в воде — «Р»).

3. Соли фосфорной кислоты (фосфаты):

• $\text{Na}_3\text{PO}_4$ — фосфат натрия (растворим в воде — «Р»);
• $\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2$ — фосфат кальция (нерастворим в воде — «Н»);
• $\text{AlPO}_4$ — фосфат алюминия (нерастворим в воде — «Н»).

Распределение веществ по фундаментальным классам неорганических соединений:

1. Оксиды (бинарные соединения химического элемента с кислородом):

• $\text{SO}_3$ — оксид серы(VI) (серный ангидрид);
• $\text{FeO}$ — оксид железа(II);
• $\text{N}_2\text{O}_3$ — оксид азота(III) (азотистый ангидрид);
• $\text{Cu}_2\text{O}$ — оксид меди(I);
• $\text{P}_2\text{O}_5$ — оксид фосфора(V) (фосфорный ангидрид).

2. Кислоты (атомы водорода + кислотный остаток):

• $\\text{H}_2\text{S}$ — сероводородная кислота (раствор сероводорода в воде);
• $\\text{H}_3\text{PO}_4$ — фосфорная (ортофосфорная) кислота.

3. Соли (атомы металла + кислотный остаток):

• $\text{KCl}$ — хлорид калия (калийная соль соляной кислоты);
• $\text{Cu}_3(\text{PO}_4)_2$ — фосфат меди(II) (медная соль фосфорной кислоты).

1. Распространённость в природе:

Хлорид натрия $\text{NaCl}$ — одна из самых распространённых солей на планете:

• В гидросфере Земли содержится гигантское количество растворённого $\text{NaCl}$ (в 1 литре морской воды растворено около 35 г солей, из которых более 27 г приходится на хлорид натрия);
• В земной коре залегает в виде мощных пластов осадочной горной породы — каменной соли (минерал галит), образовавшейся при испарении древних морей и лагун;
• Садочные соляные озёра и лиманы (например, озёра Баскунчак и Эльтон в России).

2. Области применения:

• Пищевая индустрия: главная кулинарная вкусовая добавка и консервант рыбы, мяса и овощей;
• Медицина: физиологический раствор (0,9%-ный водный раствор $\text{NaCl}$) используется для компенсации потери жидкости организмом при обезвоживании, кровопотерях и шоке;
• Химическая промышленность: базовое сырьё крупнотоннажного производства свободного хлора $\text{Cl}_2$, металлического натрия $\text{Na}$, каустической соды $\text{NaOH}$, кальцинированной соды $\text{Na}_2\text{CO}_3$ и соляной кислоты;
• Коммунальное хозяйство: техническая соль в смеси с песком служит противогололёдным реагентом для автодорог в зимний период.

1. Природные разновидности карбоната кальция ($\text{CaCO}_3$):

• Мел — мягкая тонкозернистая осадочная порода белого цвета, сложенная микроскопическими панцирями фораминифер и водорослей кокколитофорид;
• Известняк — прочная осадочная порода органического происхождения, состоящая из спрессованных раковин древних моллюсков;
• Мрамор — кристаллическая метаморфическая горная порода, возникшая из известняка в недрах Земли под воздействием высоких температур и давлений;
• Кальцит и арагонит — чистые минеральные кристаллические формы $\text{CaCO}_3$.

2. Роль в неживой и живой природе:

• В неживой природе: слагает обширные горные массивы и плато, образует подземный карстовый рельеф — пещеры, причудливые натёчные минеральные образования (сталактиты и сталагмиты);
• В живой природе: выполняет экзоскелетную защитную функцию — формирует минеральные панцири моллюсков, панцири морских ежей, массивные скелеты коралловых рифов, жемчужины и прочную известковую скорлупу птичьих яиц.

1. Расчёт массовой доли кальция в хлориде кальция $\text{CaCl}_2$:

Дано:

$\text{CaCl}_2$

$A_r(\text{Ca}) = 40$

$A_r(\text{Cl}) = 35{,}5$

Найти:

$\omega(\text{Ca}) - ?$

Решение:

$$M_r(\text{CaCl}_2) = A_r(\text{Ca}) + 2 \cdot A_r(\text{Cl}) = 40 + 2 \cdot 35{,}5 = 40 + 71 = 111$$

$$\omega(\text{Ca}) = \frac{A_r(\text{Ca})}{M_r(\text{CaCl}_2)} \cdot 100\% = \frac{40}{111} \cdot 100\% \approx 36{,}04\%$$

Растворимость: хлорид кальция превосходно растворим в воде («Р»).

---

2. Расчёт массовой доли кальция в нитрате кальция $\text{Ca(NO}_3)_2$:

Дано:

$\text{Ca(NO}_3)_2$

$A_r(\text{Ca}) = 40$

$A_r(\text{N}) = 14$

$A_r(\text{O}) = 16$

Найти:

$\omega(\text{Ca}) - ?$

Решение:

$$M_r(\text{Ca(NO}_3)_2) = A_r(\text{Ca}) + 2 \cdot A_r(\text{N}) + 6 \cdot A_r(\text{O}) = 40 + 2 \cdot 14 + 6 \cdot 16 = 40 + 28 + 96 = 164$$

$$\omega(\text{Ca}) = \frac{A_r(\text{Ca})}{M_r(\text{Ca(NO}_3)_2)} \cdot 100\% = \frac{40}{164} \cdot 100\% = \frac{10}{41} \cdot 100\% \approx 24{,}39\%$$

Растворимость: нитрат кальция отлично растворим в воде («Р»).

---

3. Расчёт массовой доли кальция в фосфате кальция $\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2$:

Дано:

$\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2$

$A_r(\text{Ca}) = 40$

$A_r(\text{P}) = 31$

$A_r(\text{O}) = 16$

Найти:

$\omega(\text{Ca}) - ?$

Решение:

$$M_r(\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2) = 3 \cdot A_r(\text{Ca}) + 2 \cdot A_r(\text{P}) + 8 \cdot A_r(\text{O}) = 3 \cdot 40 + 2 \cdot 31 + 8 \cdot 16 = 120 + 62 + 128 = 310$$

$$\omega(\text{Ca}) = \frac{3 \cdot A_r(\text{Ca})}{M_r(\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2)} \cdot 100\% = \frac{120}{310} \cdot 100\% = \frac{12}{31} \cdot 100\% \approx 38{,}71\%$$

Растворимость: фосфат кальция практически нерастворим в воде («Н»).

---

Вывод и ранжирование:

Располагаем соли в порядке возрастания массовой доли кальция:

$$\text{Ca(NO}_3)_2\ (24{,}39\%) < \text{CaCl}_2\ (36{,}04\%) < \text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2\ (38{,}71\%)$$

Ответ: ряд возрастания массовой доли кальция: нитрат кальция $\text{Ca(NO}_3)_2$, хлорид кальция $\text{CaCl}_2$, фосфат кальция $\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2$. Нитрат и хлорид кальция в воде растворимы («Р»), фосфат кальция нерастворим («Н»).