15. Ознакомление с коллекцией кислот

Определения и обозначения

Кислота — сложное вещество, состоящее из атомов водорода и кислотного остатка. Например, в H₂SO₄ два атома водорода соединены с остатком SO₄, а в HCl — один атом водорода с остатком Cl. Обычно водород записывают в формуле первым, поэтому состав удобно читать слева направо. Такое представление помогает отличить частицы, из которых построена кислота.

Кислородсодержащая кислота — кислота, в составе которой есть атомы кислорода. К этой группе относятся серная H₂SO₄, азотная HNO₃ и фосфорная H₃PO₄ кислоты. Кислород обозначают символом O внутри формулы, часто в составе кислотного остатка. Проверка формулы на наличие O сразу показывает, к какой группе относится кислота.

Бескислородная кислота — кислота, в формуле которой нет кислорода. Примеры — соляная кислота HCl и сероводородная H₂S. Их формулы содержат водород и элементы кислотного остатка, но не символ O. Это отличие важно учитывать при классификации, даже если в названиях веществ встречается похожая часть слова.

Основность кислоты — число атомов водорода в её молекуле, которые способны замещаться металлом. HCl — одноосновная кислота, H₂SO₄ — двухосновная, а H₃PO₄ — трёхосновная. Основность показывает не общее количество атомов в формуле, а только число замещаемых атомов водорода. По ней можно предсказать, сколько атомов металла может участвовать в образовании соли.

Как это устроено

Чтобы распознать кислоту по формуле, найдите атомы водорода и оставшуюся группу атомов — предполагаемый кислотный остаток. Но одной буквы H недостаточно: она встречается, например, в воде H₂O и метане CH₄, которые не являются кислотами. Нужно учитывать строение и свойства всего вещества, а не выхватывать один элемент из формулы. В формулах кислот водород связан с остатком, который при реакциях может переходить в состав соли.

Деление на кислородсодержащие и бескислородные кислоты определяется составом: наличие символа O означает первую группу, отсутствие — вторую. Например, HNO₃ содержит кислород, а HCl — нет. Это деление не следует смешивать с делением по числу атомов водорода: H₂SO₄ и HCl различаются и по наличию кислорода, и по основности. Названия помогают ориентироваться, но окончательную проверку делают по формуле.

Основность определяют по числу атомов водорода, способных замещаться металлом. Кислотный остаток имеет отрицательный заряд, а положительные заряды атомов водорода уравновешивают его: например, заряд SO₄ равен 2−, поэтому ему соответствуют два H⁺ в H₂SO₄. Остаток PO₄³⁻ уравновешивают три H⁺ в H₃PO₄. Поэтому число атомов водорода связано с зарядом остатка, но основность всё равно называют по водороду, а не по заряду.

Формулу сопоставляют с названием по составу и принятой номенклатуре. Остатку SO₄²⁻ соответствует серная кислота, а самому остатку — сульфат; SO₃²⁻ связан с сернистой кислотой и сульфитом. Похожим образом HNO₃ — азотная кислота, её остаток NO₃⁻ называется нитратом. Такое сопоставление полезно при чтении формул и при составлении названий солей.

В коллекции можно увидеть кислоты, различающиеся агрегатным состоянием и внешним видом: некоторые представлены растворами, другие могут быть жидкостями или кристаллическими веществами. Однако бесцветность или сходство образцов не доказывают, что перед вами одно и то же вещество. Кислоты могут быть едкими и опасными для кожи и глаз, а их пары — вредными при вдыхании. Поэтому знакомиться с образцами следует только по правилам лабораторной безопасности и указаниям учителя.

Примеры кислот и их признаки

Сначала найдите в строке состав кислоты и формулу остатка, затем проверьте наличие кислорода и посчитайте замещаемые атомы водорода. Заряд остатка помогает проверить число атомов водорода: в нейтральной формуле заряды должны уравновешиваться. Таблица также показывает, что кислородсодержащие кислоты могут иметь разную основность.

Разбор задач

1. Определите тип и основность HCl, H₂SO₄ и H₃PO₄

Нужно проверить каждую формулу на наличие кислорода и определить число замещаемых атомов водорода. Для этого удобно сначала выделить символы элементов, а затем отдельно посчитать H. При подсчёте учитывайте индекс: если индекса нет, атом один. По этим двум признакам кислоты можно классифицировать.

1. В HCl символа O нет, а атом водорода один. Значит, кислота бескислородная и одноосновная.
2. В H₂SO₄ есть O, а перед H стоит индекс 2. Это кислородсодержащая двухосновная кислота.
3. В H₃PO₄ есть O и три атома H. Это кислородсодержащая трёхосновная кислота.

Ответ: HCl — бескислородная одноосновная; H₂SO₄ — кислородсодержащая двухосновная; H₃PO₄ — кислородсодержащая трёхосновная. Проверка по наличию O и числу H не требует знать название кислоты. При этом для основности считают именно замещаемый водород, а не все атомы формулы.

2. Составьте формулы серной и азотной кислот по остаткам SO₄²⁻ и NO₃⁻

Формула кислоты должна быть электронейтральной: суммарный заряд всех её частей равен нулю. Каждый атом водорода в кислоте даёт положительный заряд +1, поэтому их число выбирают по заряду остатка. Индексы в формуле остатка при этом сохраняются. После составления полезно проверить баланс зарядов.

1. Для SO₄²⁻ нужны два иона H⁺, чтобы компенсировать заряд 2−. Получаем H₂SO₄: два заряда +1 уравновешивают заряд остатка 2−.
2. Для NO₃⁻ достаточно одного иона H⁺, чтобы компенсировать заряд 1−. Получаем HNO₃; индекс 1 у водорода не пишут.
3. Сверяем состав с названиями: SO₄²⁻ — сульфат, ему соответствует серная кислота; NO₃⁻ — нитрат, ему соответствует азотная кислота.

Ответ: формулы кислот — H₂SO₄ и HNO₃. Серная кислота двухосновная, азотная — одноосновная, поскольку число атомов водорода в каждой формуле соответствует заряду остатка. Такой способ работает для кислот, у которых заряд остатка известен.

3. Назовите H₂CO₃, H₂S и H₃PO₄, определите их тип и основность

Для каждой формулы нужно решить три задачи: установить название кислоты, проверить наличие кислорода и посчитать атомы водорода. Название связывают с составом остатка и принятой номенклатурой. Затем классификацию и основность определяют по самой записи формулы, а не по длине названия.

1. В H₂CO₃ содержится кислород, а кислотный остаток CO₃²⁻ называется карбонатом. Это угольная кислота; два атома H означают, что она двухосновная.
2. В H₂S кислорода нет, а остаток связан с серой. Это сероводородная кислота; два атома H делают её двухосновной.
3. В H₃PO₄ есть кислород, остаток PO₄³⁻ называется фосфатом. Это фосфорная кислота, трёхосновная по числу атомов H.

Ответ: H₂CO₃ — угольная, кислородсодержащая, двухосновная; H₂S — сероводородная, бескислородная, двухосновная; H₃PO₄ — фосфорная, кислородсодержащая, трёхосновная. Заряды CO₃²⁻ и PO₄³⁻ дополнительно подтверждают соответствующее число атомов водорода. У H₂S два атома H, поэтому её основность также равна двум.

Типичные ошибки

Ошибка: считать любую формулу с H формулой кислоты. Её допускают, потому что водород часто записан в начале, но он встречается и в воде, и в других классах соединений; проверьте, является ли вещество кислотой по составу и свойствам, а не по одной букве.

Ошибка: определять основность по числу всех атомов или по заряду остатка. Обычно индекс у остатка заметнее, но основность считают по замещаемым атомам H; самопроверка — посчитать их в формуле и сверить с зарядом остатка.

Ошибка: путать кислородсодержащие и бескислородные кислоты, ориентируясь на название. Названия могут казаться похожими, поэтому проверяйте формулу: наличие O указывает на кислородсодержащую кислоту, его отсутствие — на бескислородную.

Ошибка: пытаться определить кислоту по виду образца или работать без защиты. Многие вещества выглядят похоже, а едкость нельзя надёжно оценить глазами; безопасная проверка — изучать только подписанные образцы по инструкции, используя средства защиты и не пробуя вещество.

Связь с другими темами

Для чтения формул кислот нужны знания о составе ионных соединений, валентности и зарядах ионов, а также о правилах составления формул. Классификация опирается на понятия кислоты, кислотного остатка и электролитической диссоциации: в растворе кислоты образуют ионы. Позже эти знания помогут объяснять химические свойства кислот, разбирать реакции нейтрализации и правильно расставлять формулы в уравнениях реакций.

Что запомнить

• Кислоты содержат атомы водорода и кислотный остаток.
• Кислоты делятся на кислородсодержащие и бескислородные.
• Основность кислоты определяется числом замещаемых атомов водорода.
• Формулу кислоты связывают с формулой и зарядом кислотного остатка.
• Названия кислот и их остатков нужно соотносить с составом формул.
• При знакомстве с коллекцией кислот необходимо соблюдать правила безопасности.