§ 27. Взаимодействие кислот с металлами

Определения и обозначения

Кислота — сложное вещество, в составе которого есть атомы водорода и кислотный остаток. Например, формулу соляной кислоты записывают HCl, а серной — H₂SO₄. В реакции с некоторыми металлами водород из кислоты вытесняется, а его место в образовавшейся соли занимает металл. Это определение помогает увидеть, какие части вещества участвуют в реакции.

Ряд активности металлов — расположение металлов в порядке их способности вступать в реакции. В ряду также указано место водорода, с которым сравнивают положение металла. Это сравнение позволяет заранее предположить, будет ли металл вытеснять водород из разбавленной кислоты. Поэтому ряд используют до составления уравнения.

Водород — химический элемент, который в свободном состоянии образует простое вещество из двухатомных молекул с формулой H₂. При реакции подходящего металла с кислотой этот газ выделяется среди продуктов. Запись H₂ нужна, чтобы правильно показать состав вещества в уравнении. Отдельную букву H нельзя использовать вместо формулы молекулы водорода.

Как это устроено

Общая схема реакции такова: металл + кислота → соль + водород. Металл занимает место водорода в кислоте, а кислотный остаток соединяется с металлом, образуя соль. Словами это можно выразить так: металл вытесняет водород из кислоты. Например, при реакции магния с соляной кислотой возникает хлорид магния и выделяется водород.

Возможность вытеснения связана с относительной активностью веществ: более активный металл способен вступить в реакцию и занять место водорода. Поэтому сравнивают металл с водородом в ряду активности. Металлы до водорода обычно вытесняют его из разбавленных кислот, а металлы после водорода обычно этого не делают. Слово «обычно» важно: у правила есть ограничения, связанные с кислотой и особенностями металла.

Соль образуется потому, что кислотный остаток после вытеснения водорода соединяется с металлом. Чтобы составить формулу соли, сначала определяют частицы, которые в неё входят, затем учитывают их заряды. Например, магний имеет заряд 2+, а хлорид-ион — 1−, поэтому нужны два иона Cl⁻ на один ион Mg²⁺: получается MgCl₂. Формула должна быть нейтральной в целом.

Уравнение записывают поэтапно: указывают формулы реагентов, затем формулы ожидаемых продуктов и после этого расставляют коэффициенты. Коэффициент показывает число частиц вещества, а подобрать его нужно так, чтобы атомов каждого элемента слева и справа стало поровну. Например, при реакции Mg с HCl формулы продуктов — MgCl₂ и H₂; для равенства атомов хлора перед HCl ставят 2. Проверка числа атомов водорода и магния подтверждает уравнивание.

Простое правило ряда активности подходит прежде всего для разбавленных кислот, но не описывает любую реакцию металла с любой кислотой. Значение имеют природа металла и состав, а также концентрация кислоты. Азотная кислота и концентрированные кислоты могут взаимодействовать с металлами иначе, чем разбавленная соляная или серная кислота. Поэтому нельзя автоматически записывать H₂ среди продуктов, не проверив условия реакции.

Взаимодействие металлов с кислотами

Сначала найди металл в ряду активности и сравни его положение с водородом, затем проверь, какая кислота используется. Для металла до водорода в разбавленной кислоте обычно ожидаются соль и H₂. Последняя строка напоминает, что для особых условий нужно отдельно выяснить продукты реакции.

Разбор задач

Магний и соляная кислота

Условие. Составить уравнение реакции магния с соляной кислотой и назвать продукты. Решение. Сначала определяем, возможна ли реакция: магний стоит до водорода в ряду активности. Затем учитываем, что металл вытеснит водород, а оставшийся кислотный остаток Cl соединится с магнием. Проверяем формулу соли и уравниваем запись.

1. Записываем реагенты Mg и HCl; ожидаемые продукты — MgCl₂ и H₂. Магнию с зарядом 2+ нужны два хлорид-иона с зарядом 1−, поэтому формула соли именно MgCl₂. Это сохраняет нейтральность соли.
2. Получаем схему Mg + HCl → MgCl₂ + H₂. Справа два атома хлора, поэтому ставим коэффициент 2 перед HCl. Теперь слева два атома водорода, соответствующие одной молекуле H₂.
3. Проверяем остальные элементы: по одному атому Mg с каждой стороны, а хлора и водорода — по два. Значит, уравнение уравнено и дополнительные коэффициенты не нужны. Запись H₂ показывает газообразный водород как простое вещество.

Ответ: Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂; продукты — хлорид магния и водород.

Медь и разбавленная серная кислота

Условие. Определить, будет ли реагировать медь с разбавленной серной кислотой, и обосновать ответ. Решение. Сравниваем положение меди и водорода в ряду активности. Медь расположена после водорода, поэтому не может вытеснить его из разбавленной серной кислоты. Для указанной пары веществ реакция по обычной схеме не идёт.

1. Находим медь в ряду и отмечаем, что она стоит после водорода. Это означает, что в данных условиях медь не вытесняет водород из разбавленной кислоты. Следовательно, нельзя записывать соль и H₂ как продукты такой реакции.
2. Проверяем условие: речь именно о разбавленной серной кислоте, а не о концентрированной. Концентрация имеет значение, поэтому вывод относится к указанному случаю. Здесь достаточно правила ряда активности.

Ответ: медь с разбавленной серной кислотой по обычному правилу не реагирует, так как стоит после водорода в ряду активности.

Алюминий и разбавленная серная кислота

Условие. Составить уравнение реакции алюминия с разбавленной серной кислотой и определить коэффициенты. Решение. Алюминий находится до водорода в ряду активности, поэтому ожидаем образование соли и H₂. Кислотный остаток серной кислоты — SO₄²⁻, а ион алюминия имеет заряд 3+. Сначала составляем электронейтральную формулу соли, затем уравниваем уравнение.

1. Для нейтральной соли нужно уравнять заряды: два иона Al³⁺ дают суммарный заряд 6+, а три остатка SO₄²⁻ — 6−. Формула соли — Al₂(SO₄)₃. Скобки показывают, что индекс 3 относится ко всему кислотному остатку.
2. Записываем Al + H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃ + H₂. В соли два атома алюминия и три остатка SO₄, поэтому ставим 2 перед Al и 3 перед H₂SO₄. Теперь слева шесть атомов водорода, значит, справа нужно 3H₂.
3. Проверяем баланс: алюминия по два атома, серы по три, кислорода по двенадцать и водорода по шесть с каждой стороны. Коэффициенты перед формулами сохраняют состав веществ. Индексы в формулах при уравнивании не менялись.

Ответ: 2Al + 3H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 3H₂; продукты — сульфат алюминия и водород.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что любая пара «металл + кислота» обязательно реагирует. Так думают, если запомнили только общую схему, но не проверили активность металла и условия. Сверь положение металла с водородом в ряду и уточни, разбавленная ли кислота. Например, медь не вытесняет водород из разбавленной серной кислоты.

Ошибка — записывать водород как H вместо H₂. Причина в том, что символ элемента путают с формулой простого вещества. Проверь, что продуктом является молекулярный водород, и запиши двухатомную формулу H₂. После этого убедись, что коэффициенты дают нужное число атомов.

Ошибка — составлять формулу соли, не учитывая заряды металла и кислотного остатка. Тогда суммарный заряд формулы может оказаться не равен нулю, хотя соль должна быть нейтральной. Подбери индексы так, чтобы положительные и отрицательные заряды уравновесились. Например, для Mg²⁺ и Cl⁻ требуется MgCl₂.

Ошибка — менять индексы внутри формул, когда уравнение не сбалансировано. Это меняет состав вещества: например, запись H₂O₂ вместо H₂O обозначает уже другое соединение. Число атомов выравнивают коэффициентами перед формулами, а индексы сохраняют. Для самопроверки пересчитай атомы каждого элемента слева и справа.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны знания формул кислот и солей, а также понятие кислотного остатка. При составлении соли помогают представления о валентности и зарядах ионов: они позволяют правильно выбрать индексы. Также необходимо уметь читать ряд активности и составлять формулы по составу вещества. Эти навыки связывают прогноз реакции с записью её уравнения.

Знание взаимодействия металлов с кислотами помогает изучать свойства кислот и способы получения водорода. Ряд активности используют и для прогнозирования других реакций, в которых одно вещество вытесняет другое. Так тема становится примером того, как положение элемента в ряду помогает рассуждать о химических превращениях.

Что запомнить

• Металл, стоящий до водорода в ряду активности, обычно вытесняет его из разбавленной кислоты.
• Металлы после водорода обычно не вытесняют водород из разбавленных кислот.
• Типичная схема реакции: металл + кислота → соль + водород.
• Водород в уравнении записывают как H₂.
• Формулу соли составляют с учётом состава и зарядов металла и кислотного остатка.
• Уравнивают реакцию коэффициентами, не изменяя индексы в формулах.
• Для концентрированных кислот и азотной кислоты простое правило вытеснения водорода может не действовать.