Соли - один из сложнейших классов неорганических соединений. Практика показывает, что учащиеся школ и вузов не умеют системно характеризовать соли. Типичные недочеты при характеристике солей таковы:
1. Много недочетов в названиях солей, не сформирована система названий.
2. Представления о строении солей фрагментарные. Кроме того, что в солях реализуется ионный тип связи, о строении ничего не говорится.
3. Знания о физических свойствах солей хаотичны, не системны. Чаше всего упоминаются следующие свойства: хрупкость, цвет (без учета состояния вещества (безводное, кристаллогидрат, раствор), растворимость. Путают окраску и прозрачность, на вопрос “Какого цвета вещество?” отвечают: “прозрачное”.
4. Среди химических свойств солей, как правило, выделяют только способность участвовать в реакциях обмена и реакциях в растворе с менее активными металлами, причем это свойство распространяют и на соли довольно активных металлов, имеющих низкие значения окислительно-восстановительных потенциалов. Приводят, например, такие реакции: ZnSO4 + Mg = MgSO4 + Zn. Реакции гидролиза солей в растворах, как правило, опускают. По умолчанию, считают, что соли способны реагировать только в растворенном состоянии. Высокотемпературные свойства солей, протекающие при нагревании, сплавлении, как правило, школьникам незнакомы. Несмотря на то, что старшеклассники знакомы с электролизом расплавов и растворов неорганических веществ, с электрохимическими свойствами солей учащиеся практически не знакомы. Таким образом, можно сделать вывод, что у большинства школьников не формируются системные представления о таком важном классе неорганических веществ как соли.
Системные представления о веществах, в том числе о солях, можно сформировать только выделив структуру учебной информации. Е.М. Соколовская еще в 1986 г. писала о том, что "в основу построения учебного предмета должен быть заложен новый принцип - предмет изучения должен выступать в системном виде, т.е. усвоению подлежат не частные явления, а сама структура учебного предмета" [1, С. 10]. Ранее об инварианте характеристики неорганических веществ писали З.А. Решетова (1971), Т.А. Сергеева (1979), В.В. Сорокин, Н.Г. Салмина, Т.П. Т.П. (1982), О.С. Зайцев (1999), Ф.Б. Гликина, Н.И. Гоголевская, Э.Г. Зак (1984) и др. Г.А. Пешкова и В.М. Шабаршин детализировали представление об инварианте харктеристики неорганического вещества, выявили триаду “инвариант - субинвариант - вариативное свойство” [2-4].
Общие принципы системной характеристики солей на основе выделения их инварианта были рассмотрены В.М. Шабаршиным и С.В. Семенихиной [5].
Приведем пример системной характеристики оксосолей на основе выделения их инварианта.
Системная характеристика сульфата алюминия Al2(SO4)3
Классификация
Средняя, кислородсодержащая соль, образованная катионом слабого основания и сильной кислоты.
Номенклатура
Сульфат алюминия - допустимое по IUPAC короткое название.
Полное название по номенклатурным правилам IUPAC - тетраоксосульфат (VI) алюминия.
Старорусское название - сернокислый алюминий.
Названия кристаллогидратов алюминия: Al2(SO4)3? 9H2O - декагидрат сульфата алюминия; Al2(SO4)3? 18H2O - октадекагидрат сульфата алюминия.
Состав
Стехиометрическая формула безводной соли - Al2(SO4)3.
В состав соли входят атомные частицы трех р-элементов Al, S и O.
Строение
В состав соли входят атомные катионы алюминия, электронная формула которых 1s22s2p63s03p03d0 или сокращенно [Ne]3s3p03d0. Это катионы с большим зарядом и достаточно большим отношением величины заряда к поверхности катиона, то есть с достаточно высокой для р-элементов поверхностной плотностью заряда.
В состав соли входят молекулярные
(многоядерные) сульфат-анионы, в них все
химические связи ковалентные. Механизм
образования - обменный. Дважды возбужденный атом
серы имеет шесть неспаренных электронов, каждый
атом кислорода также имеет по два валентных
электрона. В рамках метода валентных связей (ВС)
центральный атом образует с четырьмя атомами
кислорода четыре 
- и две 
-связи. Все связи
локализованные. Разность
электроотрицательностей кислорода и серы 
Э.О. =
Э.О.(О) - Э.О.(S) = 3,50 - 2,60 = 0,90. Поэтому связи S-O - сильно
полярные.
Так как атом серы образует с кислородом четыре s - связи и не имеет больше ни неподеленных пар, ни неспаренных электронов, то число гибридных атомных орбиталей (ГАО) равно 4, следовательно, тип гибридизации - sp3.
Соответствующая геометрическая форма молекулярного аниона - тетраэдр.
Так как все связи как по энергии, так и по длине
должны быть идентичны, то в рамках гипотезы о
делокализации p -связей считаем, что p -связи в
анионе делокализованы. Всего атомов в анионе
пять, то есть, в анионе имеются две пятицентровые
делокализованные -связи.
Сульфат-анион - высокосимметричная
тетраэдрическая частица.
В нем делокализованы -связи (в анионе
две пятицентровых делокализованных -связи), так и заряд иона (на каждом
атоме кислорода есть частичный заряд d - .
Валентные углы в анионе - 109° 28? .
Так как теория гибридизации может ограниченно применяться к элементам третьего периода, рассмотрим строение аниона с позиций теории отталкивания электронных пар, то есть метода Гиллеспи. Сульфат-ион можно отнести к структуре АВ4, неподеленных электронных пар в нем нет. Поэтому и по этому методу сульфат - тетраэдрическая частица.
В твердом состоянии между катионами алюминия и сульфат-анионами действуют ионные силы. Они ненаправлены и ненысыщаемы, довольно прочны.
Сульфат алюминия при нагревании разлагается и не способен находиться в паровой фазе в виде молекул. Поэтому составлять графическую формулу сульфата алюминия не имеет смысла.
Термодинамические функции
D H° 298(Al2(SO4)3) = - 3493 кДж/моль; S° 298(Al2(SO4)3)_ = 239,3 Дж/(моль? К). Энтальпия образования сульфата алюминия весьма отрицательна, что свидетельствует о принципиальной возможности получения его из простых веществ, но не говорит о высокой устойчивости вещества. Грубый оценочный расчет средней энергии связи, сделанный в предположении, что в одном моль формульных единиц сульфата алюминия содержится порядка 20 моль различных связей, приводит к величине менее 200 кДж на моль. . Это дает возможность предположить, что сульфат алюминия не очень прочное вещество, что и подтверждается на практике.
Физические свойства
Органолептические: твердое, белое, кристаллическое вещество, без запаха, на вкус за счет реакции гидролиза с водой слюны должно быть кисловатым.
Механические свойства: не очень плотное - 
(Al2(SO4)3)
= 2,71; (Al2(SO4)3?
9H2O) = 1,71; (Al2(SO4)3*18H2O) = 1,69
г/см3; не очень твердое (раздавливается при
достаточно слабом механическом усилии), хрупкое,
непластичное, нековкое вещество.
Термические свойства: безводный сульфат, не достигая температуры плавления, разлагается при температуре 770 ° С; твердое вещество, как и все твердые вещества ионного строения, имеет низкую теплопроводность. Кристаллогидраты при нагревании плавятся в собственной воде и затем разлагаются. Например, Al2(SO4)3? 18H2O плавится при температуре 86,5 ° С.
Электрические свойства: твердый сульфат алюминия, полученный при стехиометрическом соотношении реактивов - диэлектрик (изолятор), водный раствор сульфата алюминия проводит электрический ток - проводник второго рода.
Оптические свойства: Как говорилось выше, порошкообразный сульфат алюминия - белый (свет рассеивается на мелких частицах вещества). Монокристаллы сульфата алюминия должны быть прозрачны в видимом диапазоне и, как и все соли, образованные s- и p-элементами, должны поглощать в инфракрасном (ИК) и ультрафиолетовом (УФ) диапазонах спектра. Прозрачность реальных монокристаллов уменьшается с увеличением размеров кристаллов за счет влияния дефектов кристаллической решетки.
Магнитные свойства: ионы алюминия и сульфат-анионы не имеют неспаренных электронов. Сульфат алюминия должен быть диамагнитен и не проявлять ферромагнитных свойств.
Растворимость: в полярных растворителях, например, воде, растворяется хорошо, в неполярных растворителях, например диэтиловом эфире, - плохо.
Химические свойства
1. Термическая устойчивость
По сравнению с другими оксосолями, например, нитратами, безводный сульфат алюминия более устойчив. Он разлагается при в диапазоне температур 770-860 ° С:
2Al2(SO4)3 = 2Al2O3 + 6SO2
+ 3O2
,
Кристаллогидраты полностью обезвоживаются при температуре выше 400 ° С.:
Al2(SO4)3? 18H2O = Al2(SO4)3
+ 18H2O , 420 ° С.
2. Окислительно-восстановительные (ОВ) свойства
При обычной температуре сульфат алюминия не проявляет ни окислительных ни восстановительных свойств (Al3+ - очень слабый окислитель, атом S+6 в анионе экранирован от нуклеофильных частиц симметричным барьером из четырех атомов кислорода и химически не активен).
При высоких температурах за счет атомарного кислорода - продукта разложения сульфата, окислительные свойства проявляет и сульфат алюминия: Al2(SO4)3 + 3Mg= Al2O3 + 3SO2 + 3MgO.
Продукты высокотемпературной ОВ реакции будут различны в зависимости от соотношения реагентов и температуры (возможно сплавление продуктов с образованием солей, образование более сложных алюминатов). Таким образом, поведение сульфата алюминия в присутствии восстановителей при нагревании ничем не отличается от поведения термически неустойчивых оксосолей других металлов.
В водных растворах ни катион алюминия, ни сульфат-анион не проявляют ОВ-свойств. Вместе с тем, за счет гидролиза раствор сульфата алюминия может окислять активные металлы:
Al2(SO4)3(р) = 2Al3+ + 3SO42- ,
2Al3+ + 2H2O = 2Al(OH)2+ + 2H+,
Mg + 2H+= Mg2+ + H2 .
Суммарный процесс:
2Al3+ + 2H2O + Mg = 2Al(OH)2+ + Mg2+ + H2
в молекулярной форме
Al2(SO4)3(р) + 2H2O + Mg = 2Al(OH)SO4
+ MgSO4 + H2 .
Так как сульфат алюминия содержит катионы алюминия, электродный потенциал восстановления которых намного меньше, чем потенциал воды, то в процессе электролиза раствора сульфата алюминия на катоде вместо катионов алюминия восстанавливается вода
К| 2H2O + 2e = H2 + 2OH- ;
потенциал окисления сульфат-анионов намного больше потенциала окисления воды, поэтому на аноде окисляется вода
A| 2H2O - 4e = O2 + 4H+.
Таким образом, процесс электролиза раствора сульфата алюминия сводится к электролизу воды.
3. Кислотно-основные свойства
Гидратированный анион алюминия согласно теории Бренстеда является донором протонов, то есть проявляет кислотные свойства; гидратированный сульфат-анион является донором электронных пар (акцептором протона), следовательно, как по теории кислот и оснований Льюиса, так и по теории кислот и оснований Бренстеда является основанием, правда, достаточно слабым. Поэтому в водных растворах катионы сульфата алюминия способны вступать в реакции с основаниями Бренстеда (гидролиза, осаждения, присоединения (комплексообразования)). Анион (основание) должен, соответственно, вступать в реакции с кислотами. Так как основные свойства сульфата выражены очень слабо, то в водных растворах сульфат ион не гидролизуется, но в обменные реакции осаждения вступает в реакции:
- гидролиза по катиону:
в сокращенной ионной форме
Al3+(р) + H2O
Al(OH)2+(р) + H+(р),
Al(OH)2+(р)+ H2O [Al(OH)2]+(р)
+ H+(р),
[Al(OH)2]+(р) + H2O Al(OH)3
+ H+(р).
в молекулярной форме:
Al2(SO4)3(р) + 2H2O 2Al(OH)SO4(р)
+ H2SO4(р),
2Al(OH)SO4(р)+ 2H2O [Al(OH)2]2SO4(р)
+ H2SO4(р),
[Al(OH)2]2SO4(р) + 2H2O 2Al(OH)3
+ H2SO4.
Здесь и ниже - символ обратимости.
- реакции со щелочами:
Al2(SO4)3(р) + 2NaOH(р) = 2Al(OH)SO4
+ Na2SO4(р),
Al2(SO4)3(р) + 4NaOH(р) = [Al(OH)2]2SO4 + 2Na2SO4(р),
Al2(SO4)3(р) + 6NaOH(р) = 2Al(OH)3 + 3Na2SO4(р),
Al2(SO4)3(р) + 8NaOH(р) = 2Na[Al(OH)4](р) + 3Na2SO4(р);
- реакции со слабыми основаниями:
Al2(SO4)3(р) + 6NH4OH(р) =
2Al(OH)3 + 3(NH4)2SO4(р);
- с солями, содержащими многозарядные анионы, приводящими к осаждению или катиона алюминия или аниона сульфата
в ионной форме
Al3+(р) + PO43- (р) = AlPO4 ,
SO42- (р) + Ba2+(р) = BaSO4 ;
в молекулярной форме
Al2(SO4)3(р) + 2Na3PO4(р) =
3Na2SO4 + 2AlPO4
Al2(SO4)3(р) + 3BaCl2(р) = 3BaSO4 + 2AlCl3(р).
- реакции с солями слабых кислот, приводящие к совместному гидролизу:
в ионной форме
2Al3+(р) + 3S2- (р) + 6H2O= 3H2S .+
2Al(OH)3 ,
2Al3+(р) + 3CO32- (р) + 3H2O=
3CO2 .+ 2Al(OH)3,
в молекулярной форме
Al2(SO4)3(р) + 3Na2S(р) + 6H2O=
3Na2SO4(р) + 3H2S . + 2Al(OH)3.
Al2(SO4)3(р) + 3Na2CO3(р) + 3H2O=
3Na2SO4(р) + 3CO2 . + 2Al(OH)3 .
Получение сульфата алюминия
Основные способы получения сульфата алюминия - действие разбавленной серной кислоты на алюминий или алюминийсодержащие реагенты основного характера:
2Al + 3H2SO4(р) = Al2(SO4)3 +
3H2
;
Al2O3 + 3H2SO4 = Al2(SO4)3 + 6H2O (если оксид алюминия прокален при температуре около 1000 ° С, то он теряет способность растворяться в кислоте);
2Al(OH)3 + 3H2SO4 = Al2(SO4)3 + 6H2O.
Все три способа дают возможность получить достаточно чистый продукт, не содержащий каких-либо примесей.
Аналогичным образом следует характеризовать и другие соли.
Библиография
- Соколовская, Е М Основные направления разработки научных основ преподавания химии в вузах / Е.М. Соколовская // Научные основы преподавания химии в высшей школе, Под ред. Е.М. Соколовской и Н Ф Талызиной. - М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1978.
- Шабаршин В.М., Пешкова Г.Ю. Инвариант характеристики неорганического вещества / В.М. Шабаршин, Г.Ю. Пешкова //Химия: методика преподавания в школе. - 2003 - № 2. - С. 23-29.
- Шабаршин, В.М. Вариативные характеристики неорганического вещества / ВМ. Шабаршин, Г.Ю. Пешкова //Химия: методика преподавания в школе. - 2003 - № 5. - С. 14-17.
- Шабаршин В.М., Неорганические соли. Пособие для студентов естественно-географического факультета / Авторы и составители: В.М. Шабаршин, Семенихина С.В. - Липецк: ЛГПУ, 2004.