§ 36. Взаимодействие веществ, обладающих кислотными и основными свойствами

Определения и обозначения

Кислота — сложное вещество, проявляющее кислотные свойства. Она взаимодействует с основаниями и основными оксидами, обычно образуя соль и воду, а также может реагировать с другими веществами. Это определение помогает не считать все реакции кислоты одинаковыми: продукты зависят от второго реагента.

Основание — сложное вещество, проявляющее основные свойства; многие основания содержат группу OH. Основания реагируют с кислотами, а растворимые основания, называемые щёлочами, взаимодействуют также с кислотными оксидами. По свойствам основания можно предсказать, какие реакции для него возможны.

Амфотерное соединение — вещество, способное проявлять и кислотные, и основные свойства. К таким веществам относятся оксиды Al₂O₃ и ZnO, а также гидроксиды Al(OH)₃ и Zn(OH)₂. Это понятие нужно, чтобы понимать, почему одно и то же вещество вступает в разные реакции в зависимости от партнёра.

Нейтрализация — взаимодействие кислоты с основанием, при котором образуются соль и вода. Кислотные свойства кислоты и основные свойства основания при этом взаимно ослабляются. Название помогает отличить эту реакцию от других взаимодействий кислоты.

Как это устроено

При реакции кислоты с основанием ионы водорода H⁺ соединяются с гидроксид-ионами OH⁻ и образуют воду. Оставшиеся ионы составляют соль, поэтому общая схема такова: кислота + основание → соль + вода. Например, при смешивании растворов HCl и NaOH образуются NaCl и H₂O.

Основный оксид содержит металл и кислород и проявляет свойства, сходные со свойствами основания. Кислота реагирует с ним: её кислотная часть соединяется с металлом оксида, а водород и кислород дают воду. Поэтому схема имеет вид: кислота + основной оксид → соль + вода; так, CuO с H₂SO₄ даёт CuSO₄ и H₂O.

Кислотный оксид при реакции со щёлочью образует соль: кислотный остаток оксида связывается с металлом основания. Гидроксильные группы основания дают воду, например CO₂ + 2NaOH → Na₂CO₃ + H₂O. При взаимодействии кислотного оксида с основным оксидом образуется соль, но вода обычно не появляется: CO₂ + CaO → CaCO₃, поскольку в реагентах нет водорода.

Амфотерные оксиды и гидроксиды меняют роль в зависимости от реагента. С кислотой они проявляют основные свойства, поэтому образуются соль и вода: Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O. Со щёлочью они ведут себя как кислотные соединения и образуют алюминат, например Al₂O₃ + 2NaOH → 2NaAlO₂ + H₂O; состав продуктов отличается из-за другого способа связывания частиц.

Чтобы составить уравнение, сначала определите свойства обоих реагентов и выберите подходящую схему. Затем предскажите продукты, составьте их формулы с учётом зарядов и валентностей и поставьте коэффициенты перед формулами. Индексы внутри формул при уравнивании менять нельзя: проверьте, что число атомов каждого элемента слева и справа одинаково.

Взаимодействие веществ с кислотными и основными свойствами

Сначала найдите в первом столбце пару, похожую на заданные реагенты, а затем используйте соответствующую схему. Пример показывает один возможный набор веществ; формулы продуктов нужно составлять по конкретным реагентам. После этого проверьте коэффициенты и число атомов.

Разбор задач

1. Составьте и уравняйте реакцию между HCl и NaOH.

HCl — соляная кислота, а NaOH — основание. Значит, подходит схема нейтрализации: кислота + основание → соль + вода. Металл натрий соединяется с хлорид-ионом, поэтому формула соли — NaCl.

1. Записываем продукты реакции: HCl + NaOH → NaCl + H₂O.
2. Считаем атомы: слева по одному атому H, Cl, Na и O, а справа водорода два — один в NaCl? В соли водорода нет, поэтому два атома H находятся в воде, а второй приходит из NaOH.
3. Проверяем итог: в NaOH один H, в HCl один H; справа два H в H₂O. Na, Cl и O также уравнены, коэффициенты равны единице.

Уравнение: HCl + NaOH → NaCl + H₂O. Ответ: образуются хлорид натрия и вода; реакция нейтрализации уравнена.

2. Составьте уравнение реакции CuO с H₂SO₄ и назовите продукты.

CuO — основной оксид, а H₂SO₄ — серная кислота, поэтому используем схему: кислота + основной оксид → соль + вода. Медь переходит в состав соли, а кислотный остаток SO₄ — это сульфат. Соединяя Cu²⁺ и SO₄²⁻ в отношении 1:1, получаем CuSO₄.

1. Записываем продукты: CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O.
2. Проверяем медь и серу: по одному атому каждого элемента с обеих сторон.
3. Считаем кислород и водород: слева пять атомов O и два H, справа пять атомов O и два H. Дополнительные коэффициенты не нужны.

Ответ: CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O; образуются сульфат меди(II) и вода.

3. Запишите уравнения взаимодействия Al₂O₃ с HCl и с NaOH; объясните, почему продукты различаются.

Al₂O₃ — амфотерный оксид, поэтому выбор продуктов зависит от партнёра. С HCl он проявляет основные свойства, а с NaOH — кислотные. В первом случае получается хлорид алюминия, во втором — алюминат натрия.

1. Для реакции с кислотой составляем продукты AlCl₃ и H₂O: Al₂O₃ + HCl → AlCl₃ + H₂O.
2. Уравниваем алюминий и хлор: ставим 2 перед AlCl₃ и 6 перед HCl. Затем балансируем водород и кислород, ставя 3 перед H₂O: Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O.
3. Со щёлочью записываем алюминат натрия и воду, затем проверяем атомы: Al₂O₃ + 2NaOH → 2NaAlO₂ + H₂O.

Ответ: продукты первой реакции — AlCl₃ и H₂O, второй — NaAlO₂ и H₂O. Они различаются, потому что амфотерный оксид проявляет свойства основания с кислотой и свойства кислоты со щёлочью.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что любая реакция кислоты обязательно даёт соль и воду. Так рассуждают, потому что запоминают одну частую схему и переносят её на все случаи; например, при взаимодействии кислоты с металлом могут выделяться соль и водород. Проверяйте класс второго реагента и выбирайте схему именно для этой пары.

Путаница между кислотным и основным оксидом приводит к неверным продуктам или выбору реагента. Часто ориентируются только на наличие кислорода, хотя он входит в состав обоих типов оксидов. Уточните свойства оксида: основные взаимодействуют с кислотами, а кислотные — с основаниями; учитывайте также конкретные свойства вещества.

Амфотерный оксид иногда принимают только за основной или только за кислотный. Это происходит, если запомнить лишь один из примеров его реакций. Проверьте себя, задав два вопроса: как вещество реагирует с кислотой и как — со щёлочью; для амфотерного соединения возможны оба направления.

Неправильно составленная формула соли или неверные коэффициенты нарушают закон сохранения атомов. Ошибка появляется, когда индексы выбирают наугад или коэффициенты подбирают без пересчёта элементов. Сначала определите заряды ионов при составлении формулы, затем отдельно посчитайте атомы каждого элемента слева и справа.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны формулы кислот, оснований, оксидов и солей, а также умение различать кислотные и основные оксиды. Полезно знать валентности и заряды ионов: они помогают составлять формулы продуктов. Понимание реакций кислотных и основных свойств пригодится при изучении свойств неорганических веществ, амфотерности и способов получения солей.

Что запомнить

• Кислота и основание обычно реагируют с образованием соли и воды.
• Кислоты взаимодействуют с основными оксидами с образованием соли и воды.
• Кислотные оксиды могут взаимодействовать с основаниями и основными оксидами.
• Амфотерные оксиды и гидроксиды проявляют и кислотные, и основные свойства.
• Продукты реакции определяют по свойствам обоих реагентов.
• Химическое уравнение после составления необходимо уравнять.