§ 35. Химические свойства кислот

Определения и обозначения

Кислота — сложное вещество, молекулы которого содержат атомы водорода, способные замещаться атомами металла. При такой замене образуется соль, а в некоторых реакциях выделяется водород. Поэтому наличие замещаемых атомов водорода объясняет, почему кислоты реагируют с металлами и основаниями.

Индикатор — вещество, меняющее окраску в зависимости от среды раствора. Для определения кислой среды используют характерные изменения цвета: лакмус краснеет, метилоранж становится красным, фенолфталеин остаётся бесцветным. Индикатор помогает распознать кислоту, даже если раствор бесцветен.

Ряд активности металлов — расположение металлов по убыванию их химической активности. В нём металлы, стоящие до водорода, обычно способны вытеснять его из разбавленных кислот, а стоящие после водорода — нет. Сравнив положение металла с водородом, можно заранее предсказать, будет ли идти реакция.

Соль — сложное вещество, состоящее из катионов металла и кислотных остатков. Катион — положительно заряженная частица, а кислотный остаток — часть молекулы кислоты без атомов водорода. Соли получаются, когда атомы водорода кислоты замещаются металлом, например при взаимодействии кислоты с основанием.

Как это устроено

Индикаторы меняют цвет потому, что их частицы по-разному ведут себя в кислой и нейтральной среде. Поэтому одинаковый раствор индикатора может выглядеть по-разному в воде и в кислоте. Лакмус в кислоте становится красным, метилоранж — красным, а фенолфталеин остаётся бесцветным. Так можно определить среду раствора по окраске, не полагаясь на внешний вид самой жидкости.

Металл до водорода в ряду активности способен отдавать свои электроны и переходить в раствор в виде частиц металла. Атомы водорода кислоты при этом соединяются и образуют молекулы водорода, а кислотный остаток вместе с металлом входит в состав соли. Например: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂. Результат зависит от природы металла и кислоты: металл после водорода обычно не вытесняет водород из разбавленной кислоты, а некоторые кислоты имеют особенности взаимодействия.

Основный оксид состоит из атома металла и кислорода, поэтому при реакции с кислотой металл может соединиться с кислотным остатком. Кислород оксида и водород кислоты образуют воду, а оставшиеся частицы — соль. Например, CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O: из оксида меди и серной кислоты получается сульфат меди и вода. Формулы продуктов определяют по составу исходных веществ.

Основание содержит катион металла и гидроксидные группы, а кислота — атомы водорода и кислотный остаток. При нейтрализации водород кислоты соединяется с гидроксидной частью основания, образуя воду; катион металла и кислотный остаток составляют соль. Так, HCl + NaOH → NaCl + H₂O. Поэтому в уравнении нейтрализации всегда нужно проверять, что записаны оба продукта.

Кислота и соль могут обменяться составными частями, но обмен происходит не при любых сочетаниях. Реакцию поддерживает образование продукта, который удаляется из раствора или слабо распадается на частицы: газа, осадка или слабого электролита. Например, карбонат натрия с соляной кислотой даёт углекислый газ, воду и хлорид натрия: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂↑. Пузырьки газа служат заметным признаком реакции.

Химические свойства кислот

В таблице собраны типичные взаимодействия кислот и признаки, по которым можно понять, протекает ли реакция. Для предсказания продуктов сначала определите тип второго вещества, а затем проверьте условия: положение металла в ряду активности или образование газа, осадка либо воды. В последнем столбце приведены примеры; коэффициенты в уравнениях уравнивают число атомов каждого элемента.

Разбор задач

Задача 1. Определите, какие металлы из списка Mg, Cu и Zn реагируют с разбавленной соляной кислотой, и составьте уравнения. Сначала сравним каждый металл с водородом в ряду активности: магний и цинк стоят до него, медь — после. Значит, водород вытесняют магний и цинк, а для меди уравнение реакции составлять не нужно.

1. Для магния записываем продукты MgCl₂ и H₂: Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂.
2. Для цинка записываем ZnCl₂ и H₂: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂.
3. Проверяем атомы: перед HCl ставим коэффициент 2, чтобы получить два атома хлора и два атома водорода.

Ответ: реагируют Mg и Zn; медь с разбавленной соляной кислотой не реагирует. В обоих уравнениях образуются хлорид металла и водород.

Задача 2. Составьте уравнение реакции серной кислоты с оксидом меди(II) и назовите продукты. Оксид меди(II) — основный оксид, поэтому применяем схему «кислота + основный оксид → соль + вода». Катион меди Cu²⁺ соединяется с остатком SO₄²⁻, значит формула соли — CuSO₄.

1. Записываем формулы исходных веществ: H₂SO₄ + CuO.
2. Составляем продукты по типу реакции: CuSO₄ и H₂O.
3. Проверяем число атомов: в записи CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O коэффициенты равны единице.

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

Задача 3. К раствору карбоната натрия добавили соляную кислоту. Карбонат содержит кислотный остаток угольной кислоты, который при действии кислоты приводит к появлению углекислого газа и воды. Оставшиеся натрий и хлор образуют хлорид натрия. Выделение газа позволяет заметить, что реакция протекает.

1. Записываем формулы исходных веществ: Na₂CO₃ + HCl.
2. Определяем продукты: NaCl, H₂O и CO₂.
3. Уравниваем атомы натрия и хлора, затем водород: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂↑.

Ответ: образуются хлорид натрия, вода и углекислый газ; признак реакции — пузырьки газа. Стрелка вверх указывает на выделение газообразного продукта.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что любая кислота реагирует с любым металлом с выделением водорода. Её допускают, если запоминают только общую схему и не проверяют ряд активности. Сверьте положение металла с водородом: для разбавленных кислот водород обычно вытесняют металлы до него, а не после.

Ошибка — приписывать кислоте одинаковую реакцию с основными и кислотными оксидами. Путают их, потому что оба класса веществ называются оксидами. Проверьте, является ли оксид основным: в типичной реакции с кислотой именно основной оксид образует соль и воду.

Ошибка — записать нейтрализацию только как образование соли. Причина — внимание сосредоточено на главном продукте, а вода кажется очевидной и её пропускают. Проверьте схему реакции кислоты с основанием: должны быть записаны и соль, и вода, а уравнение должно быть уравнено.

Ошибка — считать, что кислота реагирует с любой солью. Это возникает, если воспринимать обмен составными частями как достаточное условие реакции. Перед записью уравнения проверьте продукты: образование газа, осадка или слабого электролита подтверждает возможность реакции; если ничего такого нет, обмен может не идти.

Связь с другими темами

Чтобы разбирать реакции кислот, нужно знать состав кислот, оснований, оксидов и солей, а также уметь составлять их формулы. Понимание зарядов частиц помогает правильно соединять катион металла с кислотным остатком и получать формулу соли. Навык уравнивания реакций позволяет проверить, что атомы исходных веществ и продуктов учтены одинаково.

Эти знания пригодятся при изучении генетической связи классов неорганических веществ: по реакциям можно проследить превращения одного класса в другой. Позже те же процессы будут описываться ионными уравнениями, в которых показывают частицы, участвующие в реакции. Условия реакций кислот с основаниями и солями также помогают выбирать способы получения солей.

Что запомнить

• Кислоты изменяют окраску индикаторов характерным для кислой среды образом.
• Металлы до водорода в ряду активности обычно вытесняют водород из разбавленных кислот.
• Кислота и основный оксид образуют соль и воду.
• Кислота и основание при нейтрализации образуют соль и воду.
• Реакция кислоты с солью протекает, если среди продуктов образуется газ, осадок или слабый электролит.
• Состав соли определяют по катиону металла и кислотному остатку.