Условие задачи
Составьте формулы средних и кислых карбонатов, фосфатов и сульфатов кальция и магния. Что вы можете сказать об их распространении в природе и о применении?
Решение
Нам дана задача по неорганической химии, в частности по составлению формул солей поливалентных металлов (кальция и магния) с анизовалентными анионами карбоната, фосфата и сульфата, получающихся при полной и неполной нейтрализации соответствующих кислот. То есть надо написать формулы так называемых «средних» (полностью нейтрализованных) солей и «кислых» (при неполной нейтрализации, когда в соли остались протонные анионы) солей. Далее необходимо охарактеризовать их природное распространение и применение.
Ниже приведём подробное решение.
──────────────────────────────
1. Карбонаты
Карбоновая кислота – угольная кислота H₂CO₃ имеет два протона. При полной нейтрализации оба протона замещаются, а остаточный анион – карбонат CO₃²⁻. При частичной – один из протонов остаётся, а получается гидрокарбонат (бикарбонат) HCO₃⁻.
• Средние (полностью нейтрализованные) карбонаты:
– Кальция: кальций карбонат – CaCO₃
– Магния: магний карбонат – MgCO₃
• Кислые (гидрокарбонаты):
– Кальция: кальций гидрокарбонат – Ca(HCO₃)₂
– Магния: магний гидрокарбонат – Mg(HCO₃)₂
Природно:
– CaCO₃ встречается в виде известняка, мрамора, раковин морских организмов.
– Ca(HCO₃)₂ – растворён в природных водах; он возникает при растворении CaCO₃ в углекислом воздухе.
– MgCO₃ (иногда в виде гидратов) встречается в минерале магнезит; Mg(HCO₃)₂ – входит в состав морской воды.
Применение:
– Карбонаты и гидрокарбонаты применяют в строительных материалах, для производства извести, в качестве антацидов и регуляторов pH.
──────────────────────────────
2. Фосфаты
Фосфорная кислота H₃PO₄ имеет три протона. При полной нейтрализации образуется фосфат PO₄³⁻, а при неполной – остаются одно или два протона (соответственно – гидрофосфат HPO₄²⁻ или дигидрофосфат H₂PO₄⁻). Для солей с двухвалентными металлами обычно рассматривают нейтральное вещество – фосфат, и «кислый» тип – гидрофосфат (так называемый «диацидный» или «моноосновный» фосфат).
• Средние (полностью нейтрализованные) фосфаты:
– Кальция: кальций фосфат – Ca₃(PO₄)₂
– Магния: магний фосфат – Mg₃(PO₄)₂
• Кислые (гидрофосфаты):
– Кальция: кальций гидрофосфат – CaHPO₄ (также известен как дихват кальция, встречается в виде минерала брюши́та)
– Магния: магний гидрофосфат – MgHPO₄
Замечание: в случае фосфатов иногда можно встретить соли с формулой Ca(H₂PO₄)₂ – дигидрофосфат кальция, особенно применяемый в сельском хозяйстве (как минеральное удобрение). Однако в данной задаче принято считать кислотной соль именно с одним атомом водорода – гидрофосфат.
Природно:
– Кальций фосфат входит в состав апатита, основного компонента зубной эмали и костей.
– Гидрофосфаты также встречаются в природе и играют роль в биологических процессах.
– Магний фосфат встречается реже, но имеет значение в биологии (например, в составе некоторых биомолекул).
Применение:
– Фосфаты широко применяются в производстве удобрений, пищевой промышленности, а также при изготовлении стоматологических материалов.
– Гидрофосфаты используются в фармацевтике и в качестве минеральных удобрений.
──────────────────────────────
3. Сульфаты
Серная кислота H₂SO₄ – двупротонная, при полной нейтрализации образуется сульфат SO₄²⁻, а при неполной – гидросульфат (или бисульфат) HSO₄⁻.
• Средние (полностью нейтрализованные) сульфаты:
– Кальция: кальций сульфат – CaSO₄ (в природе обычно в виде гипса CaSO₄·2H₂O)
– Магния: магний сульфат – MgSO₄ (также встречается в видеepsомита или kieserite с определённым количеством вод мол)
• Кислые (гидросульфаты):
– Кальция: кальций гидросульфат – Ca(HSO₄)₂
– Магния: магний гидросульфат – Mg(HSO₄)₂
Природно:
– CaSO₄ (гипс) широко распространён в природе, используется в строительстве (изготовление штукатурки, гипсовых плит).
– MgSO₄ встречается в соляных и озёрных отложениях, его раствор часто называют английской солью.
– Гидросульфаты кальция и магния в свободном виде встречаются редко, но могут образовываться в кислых средах (например, в кислых залежах или кислотных стоках).
Применение:
– Сульфаты применяют в строительной индустрии (гипс), сельском хозяйстве (удобрения), а также в фармацевтике и спа-процедурах (например, сульфат магния используют в ваннах).
──────────────────────────────
Вывод:
Мы получили следующие формулы:
1. Карбонаты:
Ср. карбонаты: CaCO₃, MgCO₃.
Кислые (гидрокарбонаты): Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂.
2. Фосфаты:
Ср. фосфаты: Ca₃(PO₄)₂, Mg₃(PO₄)₂.
Кислые (гидрофосфаты): CaHPO₄, MgHPO₄ (а также возможно Ca(H₂PO₄)₂ в некоторых случаях).
3. Сульфаты:
Ср. сульфаты: CaSO₄, MgSO₄.
Кислые (гидросульфаты): Ca(HSO₄)₂, Mg(HSO₄)₂.
Эти соли широко распространены в природе. Например, кальций и магний карбонаты – основные компоненты осадочных горных пород и морской воды, фосфаты – важны для формирования костной ткани и применения в удобрениях, а сульфаты – встречаются в минералах, таких как гипс и в солях высыхающих озер. Промышленное применение включает строительство, сельское хозяйство, медицину и фармацевтику.
Таким образом, используя основные принципы неорганической химии и закон сохранения заряда, мы составили нужные формулы и охарактеризовали их природное распространение и область применения.