§ 48. Соли обмениваются атомами металла и кислотными остатками

Определения и обозначения

Соль — сложное вещество, состоящее из атомов металла и кислотного остатка. Например, формула CuSO₄ показывает, что в состав соли входят медь Cu и остаток SO₄. Такое разделение помогает понять, какие части вещества могут участвовать в реакции.

Реакция замещения — реакция, в которой атомы одного простого вещества замещают атомы другого в сложном веществе. Например, более активный металл может вытеснить менее активный металл из раствора его соли. Понятие помогает предсказать, произойдёт ли реакция металла с солью.

Реакция обмена — реакция, в которой два сложных вещества обмениваются составными частями. Например, металл одной соли может соединиться с кислотным остатком другой. Это определение помогает составлять возможные продукты реакции.

Ряд активности металлов — перечень металлов, расположенных по убыванию их способности вступать в реакции. Чем выше металл в ряду, тем активнее он по сравнению с теми, что стоят ниже. С помощью ряда решают, может ли металл вытеснить другой из раствора его соли.

Как это устроено

Чтобы определить части соли, в её формуле выделяют символ металла и кислотный остаток. Например, в Na₂CO₃ металл — Na, а остаток — CO₃; цифра 2 относится к числу атомов натрия. При составлении продуктов эти части рассматривают раздельно, потому что в реакциях они могут образовать новые сочетания. Однако формулу каждого нового вещества нужно записывать с учётом зарядов его частиц.

При взаимодействии металла с раствором соли более активный металл занимает место менее активного. Вытесненный металл выделяется, а оставшийся кислотный остаток соединяется с добавленным металлом. Например, цинк активнее меди, поэтому может вытеснить её из раствора сульфата меди. Это правило применяют к растворам солей и проверяют по ряду активности; металл, стоящий ниже вытесняемого, реакции замещения не вызывает.

В реакции кислоты с солью части исходных веществ образуют новые соединения: металл соли может соединиться с остатком кислоты, а водород кислоты — с другим остатком. Но одной возможности составить новые формулы недостаточно. Реакция идёт до конца, если один из продуктов удаляется из раствора: образуется осадок, газ или вода. Выход такого продукта делает обратное соединение частиц затруднённым, поэтому превращение заметно протекает в прямом направлении.

При обмене между растворами двух солей сначала находят металл и кислотный остаток каждой соли. Затем составляют две новые пары: металл первой соли соединяют с остатком второй, а металл второй — с остатком первой. Получившиеся формулы проверяют по таблице растворимости. Если один из продуктов нерастворим или малорастворим, он выпадает из раствора; без такого признака обмен обычно не приводит к заметному превращению.

Уравнение составляют в определённом порядке: сначала определяют возможные продукты, затем проверяют условие протекания реакции и записывают формулы. После этого расставляют коэффициенты так, чтобы число атомов каждого элемента слева и справа совпадало. Индексы внутри формул менять нельзя: это изменило бы само вещество. В конце полезно ещё раз проверить и состав формул, и число атомов.

Взаимодействие солей с металлами, кислотами и другими солями

Сначала выбери строку, соответствующую исходным веществам, а затем проверь условие реакции. Схема показывает общий вид превращения, но не заменяет составление формул продуктов. Для проверки растворимости используй таблицу растворимости.

Разбор задач

Цинк и раствор сульфата меди(II)

Условие. Определите, пойдёт ли реакция цинка с раствором CuSO₄, и запишите уравнение. Чтобы ответить, нужно сравнить активность цинка и меди, а затем применить схему замещения. По формуле соли видно, что вытесняемым металлом является медь, а кислотным остатком — SO₄.

1. Находим Zn и Cu в ряду активности: цинк расположен выше меди, значит, он активнее.
2. Делаем вывод, что цинк вытесняет медь из раствора. Остаток SO₄ соединяется с Zn, поэтому продуктами будут ZnSO₄ и Cu.
3. Записываем уравнение Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu и проверяем число атомов: с обеих сторон по одному атому Zn, Cu и одной группе SO₄.

Ответ: реакция идёт; Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu. Медь выделяется из раствора, а цинк переходит в состав соли.

Карбонат натрия и соляная кислота

Условие. Запишите уравнение реакции Na₂CO₃ с HCl и укажите наблюдаемый признак. Нужно обменять составные части исходных веществ, а затем проверить, образуется ли продукт, который уходит из раствора. Карбонатный остаток с водородом кислоты даёт угольную кислоту, которая распадается на воду и углекислый газ.

1. Определяем новые пары: натрий соединяется с хлором, а водород — с остатком CO₃.
2. Записываем NaCl и H₂CO₃; угольную кислоту представляем продуктами её распада: H₂O и CO₂.
3. Расставляем коэффициенты: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂. Проверяем: два атома Na и два атома Cl, а также равное число H, C и O по обе стороны.

Ответ: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂↑. Признак реакции — выделение пузырьков углекислого газа.

Хлорид бария и сульфат натрия

Условие. Составьте уравнение реакции растворов BaCl₂ и Na₂SO₄, определите осадок. В растворах соли распадаются на частицы, поэтому можно составить новые сочетания между металлами и кислотными остатками. Чтобы узнать, будет ли реакция заметной, проверяем растворимость новых солей.

1. Выделяем части: Ba и Cl в первой соли, Na и SO₄ во второй.
2. Меняем составные части местами: получаются BaSO₄ и NaCl.
3. По таблице растворимости определяем, что BaSO₄ нерастворим и выпадает в осадок. Балансируем уравнение: BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl.

Ответ: BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl. Осадок — сульфат бария BaSO₄; его образование служит признаком реакции.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что любой металл вытесняет другой из соли. Так думают, если ориентируются только на то, что оба вещества являются металлами, но способность к замещению неодинакова. Сравни металлы в ряду активности: вытеснять может более активный. Например, медь не вытеснит цинк из раствора его соли.

Иногда реакцию замещения записывают, не сравнив активность металлов. Тогда в продуктах может оказаться невозможное превращение, в котором менее активный металл вытесняет более активный. Проверяй ряд до записи уравнения и убедись, что добавленный металл стоит выше вытесняемого. Также учитывай, что рассматривается взаимодействие с раствором соли.

При обмене можно забыть поменять составные части местами или неверно записать формулу нового вещества. Ошибка возникает, когда механически переносят индексы из исходных формул. Составь пары металл — кислотный остаток, затем проверь заряды частиц и запиши формулу так, чтобы соединение было нейтральным. Индексы при уравнивании не меняют.

Ещё одна ошибка — считать, что обмен всегда означает протекание реакции. Если все продукты остаются растворёнными, обычно нет признака, который поддерживает превращение. Перед завершением записи проверь продукты по таблице растворимости и выясни, образуются ли осадок, газ или вода. Если ни одного такого продукта нет, оснований считать обмен протекающим обычно нет.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны знания о формулах кислот, оснований и солей, а также умение находить кислотный остаток и учитывать заряды частиц. Ряд активности помогает предсказывать реакции замещения, а таблица растворимости — проверять продукты обмена. Эти навыки пригодятся при изучении химических свойств веществ и составлении ионных уравнений. Они также помогают составлять и проверять уравнения реакций.

Что запомнить

• Соль состоит из атомов металла и кислотного остатка.
• Более активный металл может вытеснить менее активный металл из раствора его соли.
• При реакции обмена составные части веществ меняются местами.
• Для реакции обмена важен признак её протекания: образование осадка, газа или воды.
• Формулы продуктов составляют с учётом зарядов ионов.
• После записи уравнения необходимо расставить коэффициенты и проверить его.