Химия · Растворы и электролиты · 7 класс

Кислоты и металлы

Какой металл вытесняет водород из кислоты и почему медь остаётся спокойной?

Ситуация

На кухне лимон и уксус, в гараже аккумулятор — везде есть кислота. Кислоты меняют цвет индикатора и реагируют со многими металлами, выделяя водород (никогда не пробуйте их на вкус!). Почему магниевая лента «кипит» и растворяется в соляной кислоте, железный гвоздь медленно покрывается пузырьками, а медная проволока вообще не меняется? Каков состав кислот, как они называются и как их получают из кислотных оксидов?

Тема

Кислоты и их действие на металлы. Лимон, уксус и кислота аккумулятора: магний, цинк, железо и медь в соляной кислоте — кто вытесняет водород (ряд активности)

Ключевые понятия

Состав кислот
Ряд активности металлов
Индикаторы

Формулы

Mg + 2 HCl \overset{}{\to} MgCl_{2} + H_{2} ↑

Металл, стоящий до водорода, вытесняет водород из кислоты — образуется соль.

Cu + HCl \overset{}{\to} реакция не идёт

Медь в ряду активности стоит после водорода: с разбавленной HCl не реагирует.

n (H_{2}) = \frac{m}{A_{r}}, V = n V_{m}

Для двухвалентного металла: сколько молей металла растворилось, столько молей H₂; при н. у. $V_{m}$ = 22,4 л/моль.

P_{2} O_{5} + 3 H_{2} O \overset{}{\to} 2 H_{3} PO_{4}

Кислотный оксид + вода → кислота (практическая работа).

H_{2} + Cl_{2} \overset{}{\to} 2 HCl

Бескислородная кислота: хлороводород растворяют в воде и получают соляную кислоту.

Теория

Состав и классификация кислот

Кислота — сложное вещество, в составе которого есть атомы водорода, способные замещаться атомами металла, и кислотный остаток: H₂SO₄ = 2 H + SO₄ (сульфатный остаток). Валентность кислотного остатка равна числу атомов водорода. По составу кислоты делят на кислородсодержащие (H₂SO₄, HNO₃, H₃PO₄, H₂CO₃) и бескислородные (HCl, H₂S, HF). Основность — число способных замещаться атомов H: одноосновные (HCl, HNO₃, CH₃COOH — из четырёх атомов H в ней замещается только один), двухосновные (H₂SO₄, H₂CO₃, H₂S), трёхосновные (H₃PO₄). Названия: соляная, азотная, серная, фосфорная, угольная, сероводородная кислота.

Кислоты в быту: сильные и слабые

В лимонном соке ≈ 5 % лимонной кислоты (≈ 48 г/л), столовый уксус — 6–9 %-й раствор уксусной кислоты, в газированной воде — неустойчивая угольная кислота, в катыке — молочная кислота, в желудочном соке — соляная кислота. Электролит автомобильного аккумулятора — раствор серной кислоты: при полной зарядке его плотность ≈ 1,27–1,28 г/см³ (≈ 37 %). Сильные кислоты (HCl, HNO₃, H₂SO₄) в воде почти полностью распадаются на ионы, слабые (CH₃COOH, H₂CO₃, H₂S) — лишь частично, поэтому при одинаковой концентрации у них pH больше.

Индикаторы

В растворе кислоты лакмус красный, метилоранж красный (pH < 3,1), фенолфталеин бесцветный. Но со слабыми кислотами нужно быть внимательным: в насыщенной газированной воде pH ≈ 3,9 — метилоранж не краснеет, а лишь становится оранжевым, лакмус же краснеет. Подробнее об индикаторах — в эксперименте «Кислоты, основания и индикаторы».

Практическая работа: получение кислот

Кислородсодержащие кислоты получают реакцией кислотный оксид + вода: $SO_{3} + H_{2} O \overset{}{\to} H_{2} SO_{4}$ , $P_{2} O_{5} + 3 H_{2} O \overset{}{\to} 2 H_{3} PO_{4}$ , $SO_{2} + H_{2} O \overset{}{⇌} H_{2} SO_{3}$ , $CO_{2} + H_{2} O \overset{}{⇌} H_{2} CO_{3}$ (угольная кислота неустойчива, CO₂ растворяется слабо: при 20 °C и 1 атм ≈ 0,039 моль/л). Бескислородные кислоты получают растворением в воде водородного соединения неметалла: $H_{2} + Cl_{2} \overset{}{\to} 2 HCl$ — хлороводород хорошо растворяется в воде. В лаборатории HCl получают и действием концентрированной серной кислоты на поваренную соль. Безопасность: при разбавлении приливайте кислоту к воде, а не наоборот; P₂O₅ бурно реагирует с водой; SO₂ ядовит — работайте в вытяжном шкафу; смесь хлора и водорода взрывается на свету — этот синтез проводят только в промышленности.

Практическая работа: реакции с металлами и ряд активности

Металлы, стоящие в ряду активности до водорода, вытесняют водород из кислоты: $Mg + 2 HCl \overset{}{\to} MgCl_{2} + H_{2} ↑$ , $Zn + 2 HCl \overset{}{\to} ZnCl_{2} + H_{2} ↑$ , $Fe + 2 HCl \overset{}{\to} FeCl_{2} + H_{2} ↑$ (раствор светло-зелёный). Чем левее металл в ряду, тем бурнее реакция: магний «кипит», цинк выделяет пузырьки ровно, железо — медленно. Медь стоит после водорода — с HCl и разбавленной H₂SO₄ не реагирует. Ряд: Li K Ba Ca Na Mg Al Zn Fe Ni Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au. Расчёт: 0,1 г Mg = 0,1/24,3 = 4,1 ммоль → столько же H₂: 92 мл (н. у.). При одинаковой массе магний даёт больше водорода — у него меньше атомная масса. Азотная кислота и концентрированная серная реагируют с металлами иначе (водород не выделяется).

Безопасность и модель

Безопасность: защитные очки и перчатки; если кислота попала на кожу или в глаза — сразу промойте большим количеством воды; никогда не пробуйте кислоту на вкус; не зажигайте огонь рядом с пробиркой, в которой выделяется водород. Модель: относительные скорости металлов Mg : Zn : Fe = 1 : 0,12 : 0,03 — схематичны, на деле зависят от поверхности и чистоты металла и от температуры; скорость пропорциональна концентрации кислоты, в уксусной кислоте ≈ в 12 раз ниже; объём водорода приведён к н. у. (газ в шариках — при 20 °C); pH рассчитан для идеальных растворов по константам при 25 °C; избыток CO₂ выходит из воды (1 атм).

Знаете ли вы?

В каждом литре лимонного сока в среднем около 48 г лимонной кислоты — это примерно 5 %-й раствор. Поэтому лимон гораздо кислее апельсина.
Электролит автомобильного аккумулятора — раствор серной кислоты. При полной зарядке его плотность ≈ 1,27–1,28 г/см³; по мере разрядки кислота расходуется и плотность падает — так мастера проверяют заряд ареометром.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Кислоты, основания и индикаторы — 7 класс
Очистка и умягчение воды — 7 класс
Электролитическая диссоциация — 9 класс
Гидролиз солей и среда — 9 класс
Растворы и растворимость — 11 класс
Концентрация раствора — 11 класс
Закон Рауля, перегонка и осмос — 1 курс