Кислоти. Будова кислот. З чим реагують кислоти

• ← Назад до змісту довідника

Кислоти — це сполуки, з якими ми повсякчас стикаємося у повсякденному житті:

• Газовані напої: містять карбонатну (вугільну) кислоту $\mathrm{H_2CO_3}$, яка є нестійкою і легко розкладається на воду та вуглекислий газ: $\mathrm{H_2CO_3 \rightleftarrows H_2O + CO_2\uparrow}$.
• Шлунковий сік: містить хлоридну (соляну) кислоту $\mathrm{HCl}$, що створює кисле середовище та забезпечує розщеплення компонентів їжі.
• Coca-Cola: містить ортофосфатну (фосфорну) кислоту $\mathrm{H_3PO_4}$, завдяки чому напій здатний розчиняти іржу та наліт, адже кислоти хімічно активні щодо багатьох речовин.

Загальна ознака та будова кислот

Формули абсолютно всіх кислот починаються з атома Гідрогену ($\mathrm{H}$).

Будь-яку молекулу кислоти можна розділити на дві складові:

$\text{Кислота} = \text{Гідроген } (\mathrm{H}) + \text{Кислотний залишок}$

Усе, що записано у хімічній формулі праворуч після атомів Гідрогену, називається кислотним залишком:

• $\mathrm{H_2}\mathbf{CO_3} \longrightarrow$ кислотний залишок $\mathbf{CO_3}$;
• $\mathrm{H}\mathbf{Cl} \longrightarrow$ кислотний залишок $\mathbf{Cl}$;
• $\mathrm{H_3}\mathbf{PO_4} \longrightarrow$ кислотний залишок $\mathbf{PO_4}$.

Визначення валентності кислотного залишку

💡 Валентність кислотного залишку завжди точно дорівнює кількості атомів Гідрогену в молекулі кислоти!

• $\mathrm{H_3PO_4}$ ($3$ атоми $\mathrm{H}$) $\longrightarrow$ валентність залишку $\mathrm{PO_4}$ дорівнює $\overset{\mathrm{III}}{\mathrm{PO_4}}$;
• $\mathrm{HCl}$ ($1$ атом $\mathrm{H}$) $\longrightarrow$ валентність залишку $\mathrm{Cl}$ дорівнює $\overset{\mathrm{I}}{\mathrm{Cl}}$;
• $\mathrm{H_2CO_3}$ ($2$ атоми $\mathrm{H}$) $\longrightarrow$ валентність залишку $\mathrm{CO_3}$ дорівнює $\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{CO_3}}$.

Кількість атомів Гідрогену в неорганічних кислотах найчастіше становить $1$, $2$ або $3$, тому кислотні залишки виявляють валентність $\mathrm{I}$, $\mathrm{II}$ або $\mathrm{III}$.

💡 Вивчати хімію без знання назв кислот та їхніх залишків — це все одно, що вирушити в густий ліс без компаса: без цього орієнтира неможливо рухатися далі, а попереду чекатимуть лише помилки й нерозуміння. Формули кислот, їхні назви та назви залишків необхідно вивчити напам’ять!

Класифікація кислот

1. За вмістом атомів Оксигену:

• Безоксигенові (не містять атомів Оксигену): $\mathrm{HCl}$, $\mathrm{HBr}$, $\mathrm{H_2S}$.
• Оксигеновмісні (містять атоми Оксигену): $\mathrm{HNO_3}$, $\mathrm{H_2SO_4}$, $\mathrm{H_3PO_4}$, $\mathrm{H_2CO_3}$, $\mathrm{H_2SiO_3}$.

2. За кількістю атомів Гідрогену (за основністю):

• Одноосновні ($1$ атом $\mathrm{H}$): $\mathrm{HCl}$, $\mathrm{HNO_3}$.
• Двоосновні ($2$ атоми $\mathrm{H}$): $\mathrm{H_2SO_4}$, $\mathrm{H_2CO_3}$, $\mathrm{H_2SiO_3}$, $\mathrm{H_2S}$.
• Триосновні ($3$ атоми $\mathrm{H}$): $\mathrm{H_3PO_4}$, $\mathrm{H_3BO_3}$.

Хімічні властивості: взаємодія металів із кислотами

Метали здатні вступати в реакцію заміщення з розчинами кислот. При цьому атом металу заміщує атоми Гідрогену в кислоті, утворюючи нову складну речовину — сіль, а Гідроген виділяється у вигляді простої речовини — газу водню $\mathrm{H_2}\uparrow$.

Взаємодія металів із сульфатною кислотою $\mathrm{H_2SO_4}$:

Приклад 1. Реакція натрію із сульфатною кислотою

• Натрій заміщує Гідроген: сполучається з кислотним залишком $\mathrm{SO_4}$.
• Складаємо формулу за валентностями: у Натрію валентність $\mathrm{I}$ ($\overset{\mathrm{I}}{\mathrm{Na}}$), у сульфатної групи — $\mathrm{II}$ ($\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{SO}_4}$). Перехресне правило дає формулу солі $\mathrm{Na_2SO_4}$.
• Записуємо та урівнюємо рівняння:
  $2\mathrm{Na} + \mathrm{H_2SO_4} = \mathrm{Na_2SO_4} + \mathrm{H_2}\uparrow$

💡 Правило цілісності кислотного залишку
Кислотний залишок $\mathrm{SO_4}$ непорушний! Це єдиний хімічний блок. Категорично заборонено змінювати індекси всередині самого залишку. Це як замовити бургер у ресторані, витягнути з нього фірмову котлету й підкласти домашню — так робити не можна! Індекс $4$ неподільно належить самому залишку.

Приклад 2. Реакція магнію із сульфатною кислотою

• Магній розташований у II групі періодичної системи, його валентність стала й дорівнює $\mathrm{II}$ ($\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{Mg}}$).
• Залишок $\mathrm{SO_4}$ також має валентність $\mathrm{II}$ ($\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{SO}_4}$). Оскільки валентності однакові, індекси не потрібні — формула солі $\mathrm{MgSO_4}$.
  $\mathrm{Mg} + \mathrm{H_2SO_4} = \mathrm{MgSO_4} + \mathrm{H_2}\uparrow$

Приклад 3. Реакція алюмінію із сульфатною кислотою

• Алюміній має валентність $\mathrm{III}$ ($\overset{\mathrm{III}}{\mathrm{Al}}$), група $\mathrm{SO_4}$ має валентність $\mathrm{II}$ ($\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{SO}_4}$).
• Переносимо значення валентностей навхрест: до Алюмінію переходить індекс $2$, а весь залишок $\mathrm{SO_4}$ обов’язково беремо в дужки з індексом $3$: $\mathrm{Al_2(SO_4)_3}$.
• Для розстановки коефіцієнтів рахуємо не окремі атоми Оксигену, а цілісні кислотні залишки: праворуч три групи $\mathrm{SO_4}$, тому перед $\mathrm{H_2SO_4}$ ставимо коефіцієнт $3$. Після цього зрівнюємо водень ($3 \cdot 2 = 6$ атомів $\mathrm{H}$, отже, $3\mathrm{H_2}$) та Алюміній ($2\mathrm{Al}$):
  $2\mathrm{Al} + 3\mathrm{H_2SO_4} = \mathrm{Al_2(SO_4)_3} + 3\mathrm{H_2}\uparrow$

Взаємодія металів із хлоридною кислотою $\mathrm{HCl}$:

Приклад 1. Реакція натрію з хлоридною кислотою

• Натрій ($\overset{\mathrm{I}}{\mathrm{Na}}$) сполучається з хлоридним залишком ($\overset{\mathrm{I}}{\mathrm{Cl}}$) $\longrightarrow \mathrm{NaCl}$.

💡 Правило двох паличок Twix
Водень у реакціях заміщення з кислотами ніколи не виділяється у вигляді поодиноких атомів $\mathrm{H}$. Водень завжди утворює двохатомну молекулу $\mathrm{H_2}\uparrow$ — точно так само, як у класичній упаковці батончика Twix завжди йдуть рівно дві палички!

$2\mathrm{Na} + 2\mathrm{HCl} = 2\mathrm{NaCl} + \mathrm{H_2}\uparrow$

Приклад 2. Реакція заліза з хлоридною кислотою

⚠️ Важливе правило для Феруму
У реакціях заміщення з розчинами кислот Ферум ($\mathrm{Fe}$) завжди виявляє валентність $\mathrm{II}$ (утворюється $\mathrm{FeCl_2}$, а не $\mathrm{FeCl_3}$)!

$\mathrm{Fe} + 2\mathrm{HCl} = \mathrm{FeCl_2} + \mathrm{H_2}\uparrow$

Приклад 3. Реакція алюмінію з хлоридною кислотою

• Алюміній має валентність $\mathrm{III}$, Хлор — $\mathrm{I}$, утворюється сіль $\mathrm{AlCl_3}$.
• Біля Хлору в $\mathrm{AlCl_3}$ непарний індекс $3$. Щоб урівняти його з молекулою водню $\mathrm{H_2}$, застосовуємо правило подвоєння непарного значення — ставимо коефіцієнт $2$ перед $\mathrm{AlCl_3}$.
• Рахуємо атоми Хлору: $2 \cdot 3 = 6$, отже, перед $\mathrm{HCl}$ ставимо коефіцієнт $6$.
• Зрівнюємо водень ($6\mathrm{H} \implies 3\mathrm{H_2}$) та Алюміній ($2\mathrm{Al}$):
  $2\mathrm{Al} + 6\mathrm{HCl} = 2\mathrm{AlCl_3} + 3\mathrm{H_2}\uparrow$

Приклади хімічних реакцій:

1. Магній із хлоридною кислотою:
$\mathrm{Mg} + 2\mathrm{HCl} = \mathrm{MgCl_2} + \mathrm{H_2}\uparrow$
(Магній має валентність $\mathrm{II}$, Хлор — $\mathrm{I}$, тому формульний склад солі — $\mathrm{MgCl_2}$).

2. Алюміній із карбонатною кислотою:
$2\mathrm{Al} + 3\mathrm{H_2CO_3} = \mathrm{Al_2(CO_3)_3} + 3\mathrm{H_2}\uparrow$
(Алюміній $\overset{\mathrm{III}}{\mathrm{Al}}$, група $\mathrm{CO_3}$ двохвалентна $\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{CO}_3}$. Залишок береться в дужки: $\mathrm{Al_2(CO_3)_3}$).

3. Літій із сульфатною кислотою:
$2\mathrm{Li} + \mathrm{H_2SO_4} = \mathrm{Li_2SO_4} + \mathrm{H_2}\uparrow$
(Літій $\overset{\mathrm{I}}{\mathrm{Li}}$, сульфатний залишок $\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{SO}_4}$, формула солі — $\mathrm{Li_2SO_4}$).

4. Алюміній з ортофосфатною кислотою:
$2\mathrm{Al} + 2\mathrm{H_3PO_4} = 2\mathrm{AlPO_4} + 3\mathrm{H_2}\uparrow$
(Алюміній $\overset{\mathrm{III}}{\mathrm{Al}}$ та ортофосфатний залишок $\overset{\mathrm{III}}{\mathrm{PO}_4}$ мають однакові валентності, формула солі — $\mathrm{AlPO_4}$. Для урівнювання водню ставимо коефіцієнти $2$ перед $\mathrm{Al}$, $\mathrm{H_3PO_4}$, $\mathrm{AlPO_4}$ та $3$ перед $\mathrm{H_2}$).

5. Магній із карбонатною кислотою:
$\mathrm{Mg} + \mathrm{H_2CO_3} = \mathrm{MgCO_3} + \mathrm{H_2}\uparrow$
(Магній $\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{Mg}}$, карбонатний залишок $\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{CO}_3}$, додаткові коефіцієнти не потрібні).

6. Кальцій з ортофосфатною кислотою:
$3\mathrm{Ca} + 2\mathrm{H_3PO_4} = \mathrm{Ca_3(PO_4)_2} + 3\mathrm{H_2}\uparrow$
(Кальцій $\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{Ca}}$, ортофосфатна група $\overset{\mathrm{III}}{\mathrm{PO}_4}$, тому формула солі — $\mathrm{Ca_3(PO_4)_2}$).

Межі перебігу реакцій: Ряд активності металів

Чи всі метали здатні витісняти водень із розчинів кислот? Ні, не всі. Можливість перебігу реакції визначається рядом активності металів (електрохімічним рядом напруг):

⚠️ Головне правило ряду активності металів
Метали, розташовані в ряду активності після водню ($\mathrm{H_2}$), з розбавленими кислотами НЕ реагують і водень із них не витісняють!

Метали після Гідрогену: $\mathrm{Cu}$ (мідь), $\mathrm{Hg}$ (ртуть), $\mathrm{Ag}$ (срібло), $\mathrm{Pt}$ (платина), $\mathrm{Au}$ (золото).
Наприклад, при додаванні міді до розчину хлоридної кислоти реакція не відбувається:
$\mathrm{Cu} + \mathrm{HCl} \ne$

Завдання для самоконтролю (Домашнє завдання)

Завдання 1. Запишіть назви кислот та відповідних їм кислотних залишків, укажіть валентність залишків:

🔍 Показати відповідь до Завдання 1

Формула кислоти	Назва кислоти	Назва кислотного залишку	Валентність залишку
$\mathrm{H_3PO_4}$	ортофосфатна (фосфорна)	ортофосфат (фосфат)	$\mathrm{III}$
$\mathrm{H_2CO_3}$	карбонатна (вугільна)	карбонат	$\mathrm{II}$
$\mathrm{H_2SiO_3}$	силікатна (кремнієва)	силікат	$\mathrm{II}$
$\mathrm{HCl}$	хлоридна (соляна)	хлорид	$\mathrm{I}$
$\mathrm{H_2SO_4}$	сульфатна (сірчана)	сульфат	$\mathrm{II}$

Завдання 2. Розставте коефіцієнти у схемах хімічних реакцій:

$\mathrm{Zn} + \_\_\mathrm{HCl} = \mathrm{ZnCl_2} + \mathrm{H_2}\uparrow$

$\_\_\mathrm{Na} + \mathrm{H_2SO_4} = \mathrm{Na_2SO_4} + \mathrm{H_2}\uparrow$

$\mathrm{Mg} + \mathrm{H_2CO_3} = \mathrm{MgCO_3} + \mathrm{H_2}\uparrow$

$\_\_\mathrm{Al} + \_\_\mathrm{H_2SO_4} = \mathrm{Al_2(SO_4)_3} + \_\_\mathrm{H_2}\uparrow$

$\_\_\mathrm{Cr} + \_\_\mathrm{HCl} = \_\_\mathrm{CrCl_3} + \_\_\mathrm{H_2}\uparrow$

🔍 Показати відповідь до Завдання 2

$\mathrm{Zn} + 2\mathrm{HCl} = \mathrm{ZnCl_2} + \mathrm{H_2}\uparrow$

$2\mathrm{Na} + \mathrm{H_2SO_4} = \mathrm{Na_2SO_4} + \mathrm{H_2}\uparrow$

$\mathrm{Mg} + \mathrm{H_2CO_3} = \mathrm{MgCO_3} + \mathrm{H_2}\uparrow$

$2\mathrm{Al} + 3\mathrm{H_2SO_4} = \mathrm{Al_2(SO_4)_3} + 3\mathrm{H_2}\uparrow$

$2\mathrm{Cr} + 6\mathrm{HCl} = 2\mathrm{CrCl_3} + 3\mathrm{H_2}\uparrow$

Завдання 3. Складіть рівняння взаємодії металів із кислотами, ураховуючи валентності металів і кислотних залишків, та розставте коефіцієнти:

$\mathrm{Mg} + \mathrm{HCl} =$

$\mathrm{Mg} + \mathrm{H_2SO_4} =$

$\mathrm{Mg} + \mathrm{H_3PO_4} =$

$\mathrm{K} + \mathrm{HCl} =$

$\mathrm{K} + \mathrm{H_2SO_4} =$

$\mathrm{K} + \mathrm{H_3PO_4} =$

$\mathrm{Ag} + \mathrm{HCl} =$

🔍 Показати розв'язання та відповідь до Завдання 3

$\mathrm{Mg} + 2\mathrm{HCl} = \mathrm{MgCl_2} + \mathrm{H_2}\uparrow$

$\mathrm{Mg} + \mathrm{H_2SO_4} = \mathrm{MgSO_4} + \mathrm{H_2}\uparrow$

$3\mathrm{Mg} + 2\mathrm{H_3PO_4} = \mathrm{Mg_3(PO_4)_2} + 3\mathrm{H_2}\uparrow$

$2\mathrm{K} + 2\mathrm{HCl} = 2\mathrm{KCl} + \mathrm{H_2}\uparrow$

$2\mathrm{K} + \mathrm{H_2SO_4} = \mathrm{K_2SO_4} + \mathrm{H_2}\uparrow$

$6\mathrm{K} + 2\mathrm{H_3PO_4} = 2\mathrm{K_3PO_4} + 3\mathrm{H_2}\uparrow$

$\mathrm{Ag} + \mathrm{HCl} \ne \text{реакція не відбувається (Аргентум розташований після Гідрогену в ряду активності)}$

• ← Назад до змісту довідника