Кислі солі: утворення і перетворення на середні

Чи може та сама пара реагентів давати різні продукти? Так — коли один із реагентів — багатоосновна кислота (H₂SO₄, H₃PO₄, H₂CO₃, H₂S) або кислотний оксид (CO₂, SO₂), а другий — луг. Залежно від того, у якому мольному співвідношенні взято речовини, утворюється або середня сіль, або кисла сіль, або суміш двох сусідніх солей.

Луг і вуглекислий газ (CO₂)

Розгляньмо найпростіший випадок — реакцію натрій гідроксиду з карбон(IV) оксидом. Якщо лугу достатньо, щоб замістити обидва атоми Гідрогену в карбонатній кислоті H₂CO₃, утворюється середня сіль — натрій карбонат:

2NaOH + CO₂ → Na₂CO₃ + H₂O

Це відбувається, коли n(NaOH) : n(CO₂) ≥ 2 : 1, тобто луг у надлишку або в точно стехіометричному співвідношенні 2 : 1.

Якщо ж CO₂ у надлишку (або кількості лугу вистачає лише на один атом Гідрогену), утворюється кисла сіль — натрій гідрогенкарбонат (питна сода):

NaOH + CO₂ → NaHCO₃

Тут n(NaOH) : n(CO₂) = 1 : 1. Якщо співвідношення менше за 1 : 1 (наприклад, 0,5 : 1), надлишок CO₂ просто не прореагує, а сіль усе одно буде NaHCO₃.

Інші двоосновні кислоти та кислотні оксиди

Та сама логіка працює для сульфатної кислоти H₂SO₄, сульфідної H₂S та сульфур(IV) оксиду SO₂:

• NaOH + H₂SO₄ → NaHSO₄ + H₂O (n = 1 : 1, кисла сіль — натрій гідрогенсульфат)

• 2NaOH + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + 2H₂O (n ≥ 2 : 1, середня сіль — натрій сульфат)

• NaOH + H₂S → NaHS + H₂O (n = 1 : 1, кисла сіль — натрій гідрогенсульфід)

• 2NaOH + H₂S → Na₂S + 2H₂O (n ≥ 2 : 1, середня сіль — натрій сульфід)

• NaOH + SO₂ → NaHSO₃ (n = 1 : 1, кисла сіль — натрій гідрогенсульфіт)

• 2NaOH + SO₂ → Na₂SO₃ + H₂O (n ≥ 2 : 1, середня сіль — натрій сульфіт)

Ортофосфатна кислота — триосновна кислота

Ортофосфатна кислота H₃PO₄ має три атоми Гідрогену, здатні заміщуватися на метал. Тому можливі три ступені заміщення:

Кожен наступний моль лугу заміщує ще один атом Гідрогену в кислоті. Якщо взяти 1 моль H₃PO₄ і 1 моль NaOH — заміщується лише перший атом H, утворюється NaH₂PO₄. Другий моль NaOH заміщує другий атом H — дає Na₂HPO₄. Третій моль NaOH заміщує останній атом H — утворюється середня сіль Na₃PO₄.

Проміжне співвідношення — суміш двох солей

Якщо мольне співвідношення n(лугу) : n(кислоти) не дорівнює жодному з «цілих» значень (1 : 1, 2 : 1, 3 : 1), а лежить між ними, утворюється суміш двох сусідніх солей.

Наприклад, n(NaOH) : n(CO₂) = 4 : 3. Це співвідношення дорівнює приблизно 1,33 : 1, тобто лежить між 1 : 1 і 2 : 1. Тому в суміші будуть NaHCO₃ (кисла сіль) і Na₂CO₃ (середня сіль). Повний розрахунок кількостей обох солей виконують у курсі хімічних обчислень, а тут важливо запам’ятати: за проміжного співвідношення завжди утворюються дві солі, а не одна.

Алгоритм визначення продукту

1. Обчисли кількість речовини (n) кожного реагенту за формулою n = m / M або n = V / Vₘ.

2. Знайди відношення n(лугу) : n(кислоти або кислотного оксиду).

3. Порівняй отримане відношення з межами 1 : 1, 2 : 1, 3 : 1 (залежно від основності кислоти).

4. Якщо відношення збігається з однією з меж — назви відповідну сіль.

5. Якщо відношення проміжне — назви пару сусідніх солей.

Важливо: одноосновні кислоти (HCl, HNO₃) кислих солей не утворюють — у них лише один атом Гідрогену, який заміщується повністю. Кислі солі можливі лише для багатоосновних кислот (H₂SO₄, H₂CO₃, H₂S, H₃PO₄ тощо).

Кислі солі — це не кінцева зупинка. Вони можуть перетворюватися на середні солі, а середні — знову на кислі. Ці перетворення постійно відбуваються в природі й використовуються в лабораторній практиці.

Кисла сіль + луг того самого металу → середня сіль

Якщо до кислої солі додати луг, який містить той самий метал, луг «забирає» останні атоми Гідрогену з кислотного залишку, і утворюється середня сіль:

• NaHCO₃ + NaOH → Na₂CO₃ + H₂O — натрій гідрогенкарбонат (питна сода) реагує з натрій гідроксидом, даючи натрій карбонат і воду.

• NaH₂PO₄ + 2NaOH → Na₃PO₄ + 2H₂O — натрій дигідрогенортофосфат потребує двох молів лугу, щоб замістити обидва атоми Гідрогену.

• KHSO₄ + KOH → K₂SO₄ + H₂O — калій гідрогенсульфат і калій гідроксид дають середню сіль — калій сульфат.

Середня сіль + надлишок кислотного оксиду чи кислоти → кисла сіль

Зворотний процес: середня сіль «приєднує» кислотний оксид разом із водою (або просто кислоту) і перетворюється на кислу сіль:

• Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O → 2NaHCO₃ — натрій карбонат у водному розчині поглинає вуглекислий газ, перетворюючись на гідрогенкарбонат.

• Na₃PO₄ + 2H₃PO₄ → 3NaH₂PO₄ — надлишок ортофосфатної кислоти перетворює середню сіль на дигідрогенортофосфат.

• CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca(HCO₃)₂ — нерозчинний кальцій карбонат (крейда, мармур) розчиняється у воді, насиченій CO₂, утворюючи розчинний кальцій гідрогенкарбонат.

Дослід із вапняною водою

Класичний демонстраційний дослід, який ілюструє обидва перетворення. Вапняна вода — це насичений розчин кальцій гідроксиду Ca(OH)₂. Крізь нього пропускають CO₂:

Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃↓ + H₂O

Спочатку розчин каламутніє через утворення нерозчинного кальцій карбонату (білий осад). Якщо продовжувати пропускати CO₂, осад починає зникати:

CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca(HCO₃)₂

Кальцій гідрогенкарбонат — розчинна сполука, тому рідина знову стає прозорою. Саме так вода, насичена вуглекислим газом, поступово розчиняє вапняки в природі, утворюючи карстові печери.

Гідрогенкарбонати й гідрогенсульфіти мають характерну властивість: вони реагують із сильними кислотами, виділяючи газ (CO₂ або SO₂), а гідрогенкарбонати під час нагрівання розкладаються.

Реакція із сильними кислотами

Гідрогенкарбонати й гідрогенсульфіти реагують із сильними кислотами (HCl, H₂SO₄, HNO₃), виділяючи відповідний газ:

• NaHCO₃ + HCl → NaCl + H₂O + CO₂↑ — саме тому питна сода «гасить» кислоту: якщо полити оцтом соду, інтенсивно виділяються бульбашки вуглекислого газу.

• KHSO₃ + HCl → KCl + H₂O + SO₂↑ — гідрогенсульфіти з кислотами виділяють сульфур(IV) оксид (сірчистий газ) із різким запахом.

Зверни увагу: із сильною кислотою реагують і середні солі (наприклад, Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂↑), і кислі солі. Тому ця реакція не дає змоги розрізнити ці два типи солей.

Термічний розклад гідрогенкарбонатів

Під час нагрівання гідрогенкарбонати розкладаються на карбонат, вуглекислий газ і воду:

2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + CO₂↑ + H₂O

Ця реакція — основа дії харчового розпушувача: під час випікання сода розкладається, бульбашки CO₂ роблять тісто пористим.

Кальцій гідрогенкарбонат розкладається аналогічно:

Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O

Це пояснює утворення накипу в чайниках: під час кип’ятіння води з розчиненим Ca(HCO₃)₂ випадає осад CaCO₃.

Не плутай: Na₂CO₃ (кальцинована сода) під час нагрівання не розкладається. CaCO₃ розкладається лише за сильного прожарювання (CaCO₃ → CaO + CO₂↑, t > 800 °C). А от гідрогенкарбонати розкладаються за помірного нагрівання (60–100 °C).

Як розрізнити Na₂CO₃ і NaHCO₃

Порівняй, як поводяться натрій карбонат і натрій гідрогенкарбонат з лугом, кислотою й під час нагрівання:

Отже, з NaOH реагує лише кисла сіль (але без видимих ознак), із сильною кислотою — обидві солі, а під час нагрівання розкладається лише гідрогенкарбонат. Тому помітну відмінність дає нагрівання: NaHCO₃ виділяє CO₂, який каламутить вапняну воду.

Приклад 1. Вибір однієї відповіді

Крізь розчин, що містить 0,1 моль NaOH, пропустили 0,1 моль CO₂. Яка сіль утворилася?

Розв’язання. Обчислюємо мольне співвідношення: n(NaOH) : n(CO₂) = 0,1 : 0,1 = 1 : 1. Це відповідає утворенню кислої солі — натрій гідрогенкарбонату NaHCO₃.

Відповідь: NaHCO₃.

Чому інші варіанти неправильні:

• Na₂CO₃ — утворився б, якби n(NaOH) : n(CO₂) ≥ 2 : 1, тобто лугу вдвічі більше.

• Суміш Na₂CO₃ і NaHCO₃ — утворилася б за проміжного співвідношення, наприклад 4 : 3.

• NaOH лишився без змін — неправильно, бо CO₂ прореагував повністю з усім лугом.

Приклад 2. Логічні пари

Установіть відповідність між мольним співвідношенням n(H₃PO₄) : n(KOH) і продуктом реакції.

Варіанти для вибору: А K₃PO₄, Б K₂HPO₄, В KH₂PO₄, Г суміш KH₂PO₄ і K₂HPO₄, Д суміш K₂HPO₄ і K₃PO₄.

Розв’язання. Для H₃PO₄ (триосновна кислота):

• 1 : 1 → заміщується один атом H → KH₂PO₄ (калій дигідрогенортофосфат) — відповідає В.

• 1 : 2 → заміщуються два атоми H → K₂HPO₄ (калій гідрогенортофосфат) — відповідає Б.

• 1 : 3 → заміщуються всі три атоми H → K₃PO₄ (калій ортофосфат) — відповідає А.

Варіанти Г і Д — зайві, вони описують проміжні співвідношення (наприклад, 1 : 1,5 дало б суміш KH₂PO₄ і K₂HPO₄).

Приклад 3. Вибір однієї відповіді

Виберіть речовину, з якою реагує розчин NaHCO₃, але не реагує розчин Na₂CO₃:

• А) HCl

• Б) NaOH

• В) NaCl

• Г) KNO₃

Розв’язання. NaHCO₃ — кисла сіль, тому вона реагує з лугом (NaOH), а Na₂CO₃ — середня сіль, з NaOH не реагує. HCl реагує з обома солями (обидві дають CO₂). NaCl і KNO₃ не реагують із жодною.

Відповідь: Б) NaOH.

Приклад 4. Вибір однієї відповіді

Що спостерігають, коли довго пропускають CO₂ крізь вапняну воду?

• А) Розчин лише каламутніє

• Б) Спершу каламутніє, потім стає прозорим

• В) Жодних змін не відбувається

• Г) Виділяється газ із різким запахом

Розв’язання. Спочатку CO₂ реагує з Ca(OH)₂, утворюючи нерозчинний CaCO₃ — розчин каламутніє. У надлишку CO₂ CaCO₃ перетворюється на розчинний Ca(HCO₃)₂ — осад зникає, рідина стає прозорою.

Відповідь: Б) Спершу каламутніє, потім стає прозорим.

Варіант А неправильний, бо описує лише першу стадію. Варіант В неправильний, бо реакція відбувається. Варіант Г неправильний, бо CO₂ не має різкого запаху.

• Вважають, що кислу сіль може утворити одноосновна кислота (HCl, HNO₃). Насправді кислі солі утворюють лише багатоосновні кислоти (H₂SO₄, H₂CO₃, H₃PO₄, H₂S тощо), бо в них більше ніж один атом Гідрогену, здатний заміщуватися.

• Плутають, у надлишку чого утворюється кисла сіль: кисла сіль утворюється в надлишку кислоти або кислотного оксиду, а середня — у надлишку лугу. Запам’ятай: «кисла сіль — надлишок кислоти».

• Вважають, що NaHCO₃ з лугом не реагує, бо це «вже сіль». Насправді кислі солі містять рухливі атоми Гідрогену, які луг «забирає», перетворюючи кислу сіль на середню.

• Записують розклад Na₂CO₃ → Na₂O + CO₂ під час нагрівання. Це помилка: натрій карбонат стійкий до нагрівання і не розкладається. Розкладаються лише гідрогенкарбонати (2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + CO₂↑ + H₂O).

• За проміжного співвідношення реагентів називають одну сіль замість суміші двох. Наприклад, n(NaOH) : n(CO₂) = 4 : 3 — це між 1 : 1 і 2 : 1, тому утворюються NaHCO₃ і Na₂CO₃, а не якась одна сіль.

• У рівнянні розкладу гідрогенкарбонату пропускають CO₂ або воду. Правильне рівняння: 2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + CO₂↑ + H₂O. Обидва продукти — газ і вода — обов’язкові.

У демоваріанті НМТ 2026 року тема кислих солей перевіряється в кількох типах завдань.

Завдання № 24 — коротка відповідь (0 або 2 бали)

Це комбінована розрахункова задача: дві однакові порції суміші середньої й кислої солей (у демоваріанті — CaCO₃ і KHCO₃) обробляють окремо — одну розчином KOH (реагує лише кисла сіль), другу розчином HNO₃ (реагують обидві солі). Три рівняння реакцій складають у чернетці, а в поле відповіді вписують лише кінцеве число. Часткових балів немає — або 2 бали за повністю правильну відповідь, або 0.

Завдання № 11 — вибір однієї відповіді (1 бал)

Перевіряє вміння розрізняти середні й кислі солі, а також знання основності кислот. Наприклад, можуть запитати, яка кислота утворює кислі солі, або яка сіль є кислою серед запропонованих.

Стратегія розв’язання

• Програма НМТ обмежує комбіновані розрахункові задачі поєднанням не більше двох алгоритмів. Тому спершу чітко визнач, яка сіль реагує з кожним реагентом.

• Для суміші Na₂CO₃ і NaHCO₃: з NaOH (або KOH) реагує лише NaHCO₃ (кисла сіль), а з HNO₃ (або HCl) — обидві солі.

• Правильної кінцевої відповіді не буде без правильних рівнянь. Тому спершу запиши рівняння в чернетці, а потім уважно введи відповідь у спеціальне поле.

• Розв’язання в чернетці не перевіряють — зараховують лише кінцеву відповідь, уписану в спеціальне поле електронного тесту.

• Надлишок лугу дає середню сіль, надлишок кислоти чи кислотного оксиду — кислу.

• Для H₃PO₄ : NaOH = 1 : 1 → NaH₂PO₄, 1 : 2 → Na₂HPO₄, 1 : 3 → Na₃PO₄. Проміжне співвідношення дає суміш двох сусідніх солей.

• Кисла сіль + луг того самого металу → середня сіль + вода.

• Карбонат + CO₂ + H₂O → гідрогенкарбонат (кисла сіль).

• Гідрогенкарбонати з сильними кислотами виділяють CO₂, а під час нагрівання розкладаються на карбонат, CO₂ і воду.

• Одноосновні кислоти (HCl, HNO₃) кислих солей не утворюють.