§ 42. Кислоты замещают свои атомы водорода на атомы металла

Определения и обозначения

Кислота — сложное вещество, молекулы которого содержат атомы водорода и кислотный остаток. При реакции с подходящим металлом могут замещаться атомы водорода, связанные с кислотным остатком. Это помогает понять, какие частицы изменяются при реакции и какие сохраняются.

Кислотный остаток — атом или группа атомов, остающиеся от кислоты после замещения её атомов водорода. Его заряд соответствует числу и заряду атомов водорода, которые могут быть замещены. Например, в HCl остаток Cl имеет заряд −1, а в H₂SO₄ остаток SO₄ имеет заряд −2.

Соль — сложное вещество, в котором атомы металла связаны с кислотным остатком. Она образуется, когда металл занимает места атомов водорода в кислоте. Зная металл и кислотный остаток, можно составить формулу соли и записать продукт реакции.

Ряд активности металлов — порядок расположения металлов по их способности вступать в реакции. Металл, стоящий до водорода, обычно вытесняет его из разбавленной кислоты; металл после водорода не делает этого. Поэтому положение металла в ряду позволяет заранее оценить, пойдёт ли реакция.

Как это устроено

При реакции металл отдаёт частицам кислоты электроны, а атомы металла переходят в раствор в виде положительно заряженных частиц. Они занимают места атомов водорода, поэтому кислотный остаток соединяется с металлом и образует соль. Вытесненные атомы водорода соединяются попарно: простое вещество водород существует в виде молекул H₂. Так объясняется общее образование соли и газа.

Способность металла вытеснять водород связана с его положением в ряду активности. Металлы до водорода активнее его и могут вытеснить его из разбавленной кислоты. Цинк расположен до водорода, поэтому реагирует с соляной кислотой: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂. Медь стоит после водорода и не вытесняет его из разбавленной HCl, поэтому видимых признаков такой реакции нет.

Формула соли зависит от того, сколько атомов водорода замещается и каков состав кислотного остатка. В соляной кислоте HCl один атом водорода, а остаток Cl имеет заряд −1; цинк образует частицы с зарядом +2, поэтому формула соли — ZnCl₂. В серной кислоте H₂SO₄ остаток SO₄ имеет заряд −2; с цинком он образует ZnSO₄. Заряды в формуле соли должны уравновешиваться.

Уравнение реакции составляют в несколько действий: сначала записывают формулы реагентов, затем формулы соли и водорода, после чего подбирают коэффициенты. Коэффициенты показывают, сколько частиц каждого вещества участвует в реакции. Например, в записи Zn + HCl → ZnCl₂ + H₂ слева не хватает атомов хлора и водорода, поэтому перед HCl ставят коэффициент 2. Получается Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂, где число атомов каждого элемента одинаково по обе стороны.

Образование газа можно заметить по пузырькам на поверхности металла или в растворе. Это наблюдение связано с тем, что водород выделяется из раствора в виде газа. В опыте металл помещают в кислоту и следят, появляются ли пузырьки; для сравнения можно взять металл, который не вытесняет водород. Если металл лишь погружается в жидкость без выделения газа, это не доказывает, что реакция с кислотой произошла.

Реакции металлов с кислотами

Сначала проверьте положение металла относительно водорода: это подскажет, возможна ли реакция. Если она идёт, составьте соль по металлу и кислотному остатку, а затем проверьте баланс атомов. Пузырьки служат наблюдаемым признаком выделения газа.

Разбор задач

Задача 1. Составьте уравнение реакции магния с соляной кислотой и назовите продукты.

1. Записываем формулы реагентов: Mg и HCl. Магний стоит до водорода в ряду активности, значит, может вытеснить его из кислоты.
2. В HCl кислотный остаток — Cl с зарядом −1, а магний образует частицы с зарядом +2. Поэтому формула соли — MgCl₂; вторым продуктом будет H₂.
3. Записываем схему Mg + HCl → MgCl₂ + H₂ и уравниваем атомы. Перед HCl ставим коэффициент 2: Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂.

Ответ: Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂. Продукты реакции — хлорид магния и водород.

Задача 2. Запишите уравнение реакции цинка с серной кислотой и укажите наблюдаемые признаки.

1. Формулы реагентов — Zn и H₂SO₄. Цинк расположен до водорода, поэтому реакция с разбавленной серной кислотой возможна.
2. Кислотный остаток серной кислоты — SO₄ с зарядом −2, а заряд частицы цинка — +2. Значит, формула соли — ZnSO₄; второй продукт — H₂.
3. Записываем Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂. Число атомов цинка, серы, кислорода и водорода уже одинаково с обеих сторон, поэтому коэффициенты равны 1.

Ответ: Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂. На цинке видны пузырьки выделяющегося водорода.

Задача 3. Определите, какие из металлов магний, цинк и медь реагируют с разбавленной соляной кислотой; составьте уравнения возможных реакций.

1. Сравниваем положение каждого металла с водородом в ряду активности. Магний и цинк находятся до водорода, поэтому вытесняют его; медь расположена после водорода и не реагирует таким образом.
2. Для магния кислотный остаток Cl образует соль MgCl₂, а для цинка — ZnCl₂. В обоих случаях на одну частицу металла нужны два остатка Cl.
3. Записываем и проверяем уравнения: Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂; Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂. В каждом уравнении число атомов всех элементов слева и справа совпадает.

Ответ: реагируют магний и цинк; медь с разбавленной соляной кислотой не реагирует. При реакциях выделяется водород.

Типичные ошибки

Считают, что любой металл вытесняет водород из кислоты. Так думают, потому что реакцию связывают только с наличием металла, но её возможность зависит от ряда активности. Перед составлением уравнения сравните металл с водородом: стоящий после него металл не вытесняет водород из разбавленной кислоты.

Записывают выделившийся водород как H. Это происходит, если путают отдельный атом с простым веществом, однако молекула водорода состоит из двух атомов. Проверьте, что в продуктах стоит H₂ и что число атомов водорода уравнено коэффициентами.

Формулу соли иногда записывают, не учитывая заряд и состав кислотного остатка. Например, для цинка и хлора неверно оставить ZnCl: такой состав не уравновешивает заряд цинка +2. Сверьте число атомов металла и остатков, чтобы суммарный заряд соли был равен нулю.

При уравнивании меняют индексы в формулах, чтобы быстро получить одинаковое число атомов. Индекс показывает состав вещества, поэтому его изменение означает уже другое вещество. Сначала правильно составьте формулы реагентов и продуктов, затем меняйте только коэффициенты перед ними и пересчитайте атомы.

Связь с другими темами

Для этой темы нужно знать формулы кислот и кислотных остатков, а также уметь составлять формулы солей. Понадобятся представления о простых веществах: водород записывают как H₂, потому что его молекула состоит из двух атомов. Также важно уметь расставлять коэффициенты, не изменяя индексы формул.

Эти знания помогают изучать химические свойства металлов и реакции замещения, в которых одни атомы занимают места других. Они пригодятся и при рассмотрении способов получения солей. Умение предсказывать продукты реакции позволяет не только записывать уравнения, но и объяснять наблюдения в опытах.

Что запомнить

• Металл может вытеснить водород из кислоты, если он стоит в ряду активности до водорода.
• При такой реакции образуются соль и водород H₂.
• Атомы металла замещают атомы водорода кислоты.
• Формула соли зависит от металла и кислотного остатка.
• Индексы формул при уравнивании не меняют — используют коэффициенты.
• Медь не вытесняет водород из разбавленной соляной кислоты.