§ 50. Гидроксиды неметаллов (кислородсодержащие кислоты)

Определения и обозначения

Кислородсодержащая кислота — соединение, в состав которого входят водород, кислород и атом неметалла. Её кислотные свойства связаны с тем, что часть атомов водорода может отщепляться в виде H⁺. Это определение помогает отличать такие кислоты от бескислородных и связывать их состав со способностью образовывать ионы.

Гидроксид неметалла — соединение неметалла с группами –OH, которое проявляет кислотные свойства. Кислородсодержащие кислоты рассматривают таким образом, потому что в их строении атом неметалла связан с кислородом и группами –OH. Эта модель помогает представить, откуда в кислоте берутся отщепляемые атомы водорода.

Кислотный остаток — часть молекулы кислоты, остающаяся после отщепления одного или нескольких атомов водорода. Он включает неметалл и кислород и имеет отрицательный заряд: например, после потери H⁺ от HNO₃ остаётся NO₃⁻. Остаток нужен, чтобы записывать формулы солей и понимать, какая часть кислоты входит в их состав.

Основность кислоты — число атомов водорода в её молекуле, способных замещаться на металл. Оно соответствует числу ступеней диссоциации: например, H₂SO₄ двухосновная, а H₃PO₄ трёхосновная. Понятие позволяет определить заряд полного кислотного остатка и соотношение веществ при нейтрализации.

Как это устроено

Чтобы выделить кислотный остаток, от формулы кислоты мысленно отнимают замещаемые атомы водорода как H⁺. Так, H₂SO₄ при полной потере двух протонов даёт SO₄²⁻, а HNO₃ после потери одного — NO₃⁻. У H₃PO₄ после полной диссоциации остаётся PO₄³⁻. Формула остатка сохраняет неметалл и кислород, а его заряд компенсирует суммарный заряд ушедших H⁺.

Состав кислоты связан со степенью окисления неметалла, потому что формула должна быть электронейтральной, а кислород обычно имеет степень окисления −2 и водород +1. В H₂SO₄ сера имеет степень окисления +6, а в H₂SO₃ — +4. Значит, сера образует несколько кислородсодержащих кислот, и различие числа атомов кислорода отражается на её степени окисления. Аналогично фосфор в H₃PO₄ имеет степень окисления +5.

Основность устанавливают не простым подсчётом всех H в формуле, а выяснением, какие из них замещаются на металл. В распространённых кислородсодержащих кислотах число таких водородов совпадает с числом атомов H: HNO₃ одноосновная, H₂CO₃ двухосновная, H₃PO₄ трёхосновная. При полной потере этих H⁺ возникают остатки с зарядами соответственно −1, −2 и −3. Поэтому в соли заряд остатка определяет, сколько катионов металла требуется для нейтральной формулы.

Кислоты реагируют с основаниями с образованием соли и воды: при полной нейтрализации H₂SO₄ щёлочью учитывают оба её протона. С основным оксидом кислота также может давать соль и воду. Некоторые кислоты реагируют с металлами с выделением водорода, а с солями реакция идёт, например, если образуется осадок, газ или слабый электролит. Однако скорость и результат зависят от конкретной кислоты, её силы и реакционной способности; нельзя переносить свойства одной кислоты на все остальные.

Многие кислородсодержащие кислоты получают взаимодействием соответствующего кислотного оксида с водой: SO₃ + H₂O → H₂SO₄, а N₂O₅ + H₂O → 2HNO₃. Такой путь объясняется тем, что кислотный оксид является ангидридом кислоты и при присоединении воды образует её молекулу. Но способ подходит не для каждой кислоты одинаково: некоторые оксиды с водой реагируют с трудом или не дают нужную кислоту в обычных условиях. Поэтому способ получения выбирают с учётом конкретного вещества.

Примеры кислородсодержащих кислот и их характеристики

Сначала сравните формулу и основность: число замещаемых H помогает определить заряд полного остатка. Затем проверьте степень окисления неметалла, учитывая заряды H и O. Таблица показывает, что одна и та же сера образует кислоты с разными степенями окисления.

Разбор задач

Задача 1

Для H₂SO₄ укажите название, основность и формулу кислотного остатка после отщепления всех атомов водорода. Нужно определить число замещаемых атомов H, а не ориентироваться только на название вещества. Полное удаление положительных зарядов требует, чтобы оставшаяся часть получила такой же по модулю отрицательный заряд.

1. H₂SO₄ — серная кислота.
2. В молекуле два замещаемых атома водорода, поэтому кислота двухосновная.
3. После отщепления двух H⁺ остаётся SO₄²⁻.

Ответ: серная кислота, двухосновная; кислотный остаток — SO₄²⁻.

Задача 2

Составьте формулу кислоты, образованной кислотным остатком SO₄²⁻, и назовите её. Формула должна быть нейтральной, поэтому отрицательный заряд остатка нужно компенсировать положительными зарядами водорода. Заряд каждого иона H⁺ равен +1, значит, понадобится два таких иона.

1. Записываем остаток SO₄²⁻.
2. Подбираем два H⁺: суммарный заряд водорода равен +2.
3. Объединяем части в нейтральную формулу H₂SO₄.

Ответ: H₂SO₄ — серная кислота.

Задача 3

Запишите уравнение полной нейтрализации H₃PO₄ гидроксидом натрия и назовите соль. Полная нейтрализация означает, что все три замещаемых атома водорода кислоты переходят в состав воды. Поэтому на одну молекулу кислоты требуются три формульные единицы NaOH.

1. Остаток H₃PO₄ после полной потери водорода — PO₄³⁻.
2. Для нейтральной соли нужны три иона Na⁺, поэтому соль имеет формулу Na₃PO₄.
3. Уравниваем число H и O, записывая три молекулы воды: H₃PO₄ + 3NaOH → Na₃PO₄ + 3H₂O.

Ответ: H₃PO₄ + 3NaOH → Na₃PO₄ + 3H₂O; образуется фосфат натрия.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что число атомов водорода в формуле всегда равно основности. Так думают, потому что основность часто действительно совпадает с индексом H в знакомых кислородсодержащих кислотах. Проверяйте, способны ли эти атомы замещаться на металл: только замещаемые водороды учитывают при определении основности.

Кислотный остаток иногда принимают за один атом неметалла, например называют остатком серы часть SO₄²⁻. Это происходит из-за того, что неметалл считают главным элементом кислоты, но остаток включает также кислород. Для проверки выпишите все атомы, оставшиеся после удаления H⁺, и поставьте отрицательный заряд, равный числу удалённых протонов.

Нельзя записывать формулу соли, не уравняв заряды катиона и кислотного остатка. Индексы в формуле должны показывать такое соотношение ионов, при котором суммарный заряд равен нулю: например, SO₄²⁻ требует двух Na⁺, поэтому формула — Na₂SO₄. Самопроверка проста: сложите заряды всех частиц в формульной единице.

Ещё одна ошибка — считать все кислородсодержащие кислоты одинаковыми по силе и реакционной способности. Такое обобщение возникает из-за общей способности кислот отдавать H⁺, но сила и характер реакций зависят от состава и строения вещества. Сверяйте вывод с конкретной кислотой и не переносите на неё свойства другой, даже если обе содержат кислород.

Связь с другими темами

Для работы с кислотами нужны знания о валентности, степенях окисления, составлении формул, ионах и электролитической диссоциации. Они помогают находить заряд неметалла в соединении и понимать, почему остаток после потери H⁺ заряжен отрицательно. Затем эти умения применяются при изучении кислотных оксидов, нейтрализации и номенклатуры солей.

Степень окисления неметалла связывает тему с окислительно-восстановительными реакциями. По ней можно проследить, способен ли элемент менять степень окисления и в каком направлении возможны превращения. Знание состава кислот также помогает предсказывать их реакции с основаниями и другими веществами.

Что запомнить

• Кислородсодержащая кислота содержит водород, кислород и атом неметалла.
• Кислотный остаток образуется после отщепления одного или нескольких H⁺.
• Основность кислоты — число замещаемых атомов водорода в её молекуле.
• Модуль заряда кислотного остатка равен числу отщеплённых H⁺.
• Формулы солей составляют с учётом зарядов катиона и кислотного остатка.
• Кислотные свойства и реакционная способность зависят от конкретной кислоты.