§ 25. Кислоты

Определения и обозначения

Кислоты — сложные вещества, состоящие из атомов водорода и кислотного остатка. Например, формулу H₂SO₄ можно представить как два атома водорода и остаток SO₄. Такое представление помогает понять, как устроена формула и какие вещества могут образоваться при реакции кислоты.

Кислотный остаток — часть молекулы кислоты, которая остаётся после мысленного удаления атомов водорода. В HCl остаток — Cl, а в H₂SO₄ — SO₄; его заряд по модулю связан с числом атомов водорода в формуле. Умение выделять остаток нужно для составления формул кислот и солей.

Основность кислоты — число атомов водорода в формуле, способных замещаться атомами металла. Например, H₂SO₄ двухосновная, потому что содержит два таких атома водорода, а HCl — одноосновная. Основность помогает классифицировать кислоты и правильно записывать состав образующихся солей.

Индикатор — вещество, которое изменяет окраску в кислой, щелочной или нейтральной среде. Например, лакмус в кислой среде краснеет, а универсальный индикатор показывает разные оттенки для разных сред. Индикатор нужен, чтобы обнаружить кислую среду, даже если раствор прозрачен.

Как это устроено

Формулу кислоты составляют, учитывая, что она должна быть электрически нейтральной: общий положительный заряд атомов водорода уравновешивается отрицательным зарядом остатка. Если остаток имеет валентность II, для равновесия нужны два атома водорода, поэтому получается H₂SO₄. Если валентность остатка I, достаточно одного атома водорода, как в HCl. Так связь между валентностью остатка и числом атомов водорода помогает проверять формулу.

По наличию кислорода кислоты делят на бескислородные и кислородсодержащие: HCl не содержит O, а H₂SO₄ содержит. По основности их делят на одно-, двух- и трёхосновные — в зависимости от числа замещаемых атомов H. Эти признаки независимы: HCl одноосновная бескислородная кислота, а H₂SO₄ двухосновная кислородсодержащая. Поэтому нельзя определять группу кислоты только по одному элементу формулы.

Название кислоты связано с её составом и кислотным остатком. Например, HCl называют соляной кислотой, а остаток Cl — хлоридом; H₂SO₄ — серная кислота, её остаток SO₄ — сульфат. В других распространённых парах H₂SO₃ соответствует сернистая кислота и сульфит, а HNO₃ — азотная кислота и нитрат. Знание этих названий помогает распознавать вещества в формулах и называть продукты реакций.

Общие свойства кислот связаны с тем, что в растворе они создают кислую среду. Индикаторы реагируют на эту среду изменением окраски, поэтому ими можно отличить кислотный раствор от нейтрального или щелочного. Однако индикатор показывает характер среды, а не точный состав вещества. Например, красная окраска лакмуса указывает на кислую среду, но не позволяет определить, какая именно кислота находится в пробирке.

Кислоты вступают в несколько типичных реакций. С активными металлами они могут образовывать соль и водород, с основными оксидами и основаниями — соль и воду. С некоторыми солями реакция идёт, если среди продуктов появляется газ, осадок или вода: например, карбонат с кислотой выделяет углекислый газ. Чтобы получить верное уравнение, сначала определяют продукты по схеме реакции, а затем подбирают коэффициенты так, чтобы число атомов каждого элемента слева и справа совпало.

Состав, классификация и примеры важнейших кислот

Сначала найди в таблице формулу кислоты, затем проверь число атомов водорода и наличие кислорода. Последний столбец показывает один из возможных примеров реакции, а не единственное свойство кислоты. Для реакции металла с кислотой учитывай активность металла и условия.

Разбор задач

Задача 1. Для H₂SO₄ определить кислотный остаток, основность и наличие кислорода.

1. Выделяем атомы водорода: их два, а оставшаяся часть формулы — SO₄.
2. Кислотный остаток — сульфат SO₄; два атома водорода означают, что кислота двухосновная.
3. В формуле есть O, следовательно, кислота кислородсодержащая.

Ответ: остаток SO₄, кислота двухосновная и кислородсодержащая.

Задача 2. Составить и уравнять реакции HCl с магнием, CuO и NaOH, указать типы.

1. Магний активнее водорода, поэтому образуются соль MgCl₂ и водород: Mg + HCl → MgCl₂ + H₂. Чтобы получить два атома Cl и H с обеих сторон, ставим коэффициент 2 перед HCl: Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂.
2. CuO — основной оксид: с кислотой он даёт соль и воду. Уравнение CuO + 2HCl → CuCl₂ + H₂O уже сбалансировано.
3. NaOH — основание, поэтому продукты — соль и вода: HCl + NaOH → NaCl + H₂O.

Ответ: первая реакция — замещение, вторая — реакция кислоты с основным оксидом, третья — нейтрализация.

Задача 3. Выбрать, какие из Zn, CuO, NaOH и Na₂CO₃ реагируют с H₂SO₄, записать уравнения и назвать продукты.

1. Цинк стоит перед водородом в ряду активности, поэтому реагирует: Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂. Продукты — сульфат цинка и водород.
2. CuO — основной оксид, а NaOH — основание: CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O; 2NaOH + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + 2H₂O. Получаются сульфат меди(II), сульфат натрия и вода.
3. Карбонат натрия реагирует с кислотой с выделением газа: Na₂CO₃ + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + H₂O + CO₂. Образуются сульфат натрия, вода и углекислый газ.

Ответ: реагируют все четыре вещества, но для металла важно учитывать его активность; в каждой записи число атомов элементов сбалансировано.

Типичные ошибки

Кислотным остатком иногда называют всю кислоту. Это происходит потому, что в речи название остатка и название вещества звучат похоже, но в формуле это разные части: у H₂SO₄ остаток — SO₄, а кислота включает ещё два атома H. Проверь себя: мысленно убери водород и назови оставшуюся группу.

Основность ошибочно определяют по числу атомов кислорода. Путаница возникает из-за того, что многие кислоты содержат и водород, и кислород, но основность связана только с замещаемыми атомами H. Например, H₂SO₄ двухосновная, хотя атомов кислорода в ней четыре. Для проверки посчитай водород, а не кислород.

Нельзя считать, что любая кислота реагирует с любым металлом. Металл должен быть достаточно активным; например, медь не вытесняет водород из обычной соляной кислоты, в отличие от магния. Ошибка появляется, если забыть о ряде активности металлов и не учитывать условия. Перед записью реакции проверь положение металла относительно водорода.

В реакции кислоты с основанием иногда записывают только воду и забывают соль. Так происходит, когда запоминают слово «нейтрализация», но не следят за всеми частицами исходных веществ. Например, HCl + NaOH → NaCl + H₂O: соль образуется одновременно с водой. Проверь, что в продуктах есть и катион металла, и кислотный остаток.

Связь с другими темами

До изучения кислот нужно уметь определять валентность, составлять формулы бинарных и сложных веществ, называть вещества и уравнивать реакции. Эти навыки помогают понять, почему в формуле кислоты именно такое число атомов водорода и как записывать продукты её взаимодействия с другими веществами. Кислоты связаны с темами оснований и солей: они участвуют в образовании солей и реакции нейтрализации. Позже эти знания пригодятся при изучении электролитической диссоциации, индикаторов и расчётов по уравнениям реакций.

Что запомнить

• Кислоты состоят из атомов водорода и кислотного остатка.
• Кислотный остаток определяет название и состав кислоты.
• Основность кислоты равна числу замещаемых атомов водорода.
• Кислоты бывают бескислородными и кислородсодержащими.
• Кислоты изменяют окраску индикаторов.
• Кислоты реагируют с активными металлами, основными оксидами и основаниями.
• При нейтрализации кислоты и основания образуются соль и вода.