§ 25. Кислоты

Определения и обозначения

Кислоты — сложные вещества, состоящие из атомов водорода и кислотного остатка; их общую формулу можно записать как HₙA, где A — остаток, а n — число атомов водорода. Например, HCl — соляная кислота, H₂SO₄ — серная, H₃PO₄ — фосфорная. Такая запись помогает увидеть состав вещества и сравнить кислоты между собой.

Кислотный остаток — атом или группа атомов, соединённые с водородом в составе кислоты и остающиеся после отделения ионов водорода. В HCl это Cl⁻, а в H₂SO₄ — SO₄²⁻; верхний индекс показывает заряд остатка. Заряд нужен, чтобы правильно составлять формулы кислот и солей.

Основность кислоты — число атомов водорода, способных замещаться металлом. Она связана с формулой: у HCl один такой атом, у H₂SO₄ — два, у H₃PO₄ — три. По основности можно классифицировать кислоту и понять, сколько водородных атомов участвует в образовании соли.

Индикатор — вещество, изменяющее окраску в зависимости от среды раствора. Лакмус в кислой среде краснеет, метилоранж становится красным, а фенолфталеин остаётся бесцветным. Индикаторы помогают обнаружить кислую среду, когда её нельзя надёжно определить по внешнему виду раствора.

Как это устроено

В формуле кислоты атомы водорода записывают перед кислотным остатком: например, H₂SO₄. Число у символа H показывает, сколько атомов водорода содержится в одной формульной единице, а не заряд всей кислоты. Если каждый из этих атомов способен замещаться металлом, это число определяет основность: H₂SO₄ двухосновная, а H₃PO₄ трёхосновная.

При растворении кислота распадается на ионы: положительно заряженные ионы водорода и отрицательный кислотный остаток. В школьной записи это, например, HCl → H⁺ + Cl⁻ и H₂SO₄ → 2H⁺ + SO₄²⁻. В воде ионы водорода связаны с молекулами воды, но запись H⁺ удобна для объяснения общих свойств растворов кислот.

По наличию кислорода кислоты делят на кислородсодержащие и бескислородные. К первым относятся H₂SO₄, HNO₃, H₂CO₃ и H₃PO₄, а ко вторым — HCl и H₂S. По основности выделяют одноосновные кислоты, например HCl и HNO₃, двухосновные — H₂SO₄ и H₂CO₃, трёхосновные — H₃PO₄; число атомов H в формуле позволяет провести эту классификацию.

Индикаторы меняют окраску потому, что их частицы по-разному выглядят в кислой и нейтральной среде. Причина кислой среды — наличие ионов водорода в растворе, поэтому разные кислоты дают сходные признаки с одним и тем же индикатором. Окраска указывает на среду, но сама по себе не позволяет определить, какая именно кислота находится в пробирке.

Общие реакции кислот объясняются присутствием ионов водорода и возможностью образовывать соли. С металлами, стоящими в ряду активности до водорода, многие разбавленные кислоты дают соль и водород; с основным оксидом обычно образуются соль и вода. При реакции с основанием также получаются соль и вода, а с некоторыми солями обмен идёт, если образуется осадок, газ или вода; реакция не обязана происходить при любом смешивании веществ.

Состав, классификация и свойства основных кислот

Сначала найди в формуле кислотный остаток и посчитай атомы водорода, чтобы определить основность. Затем отметь, есть ли в составе кислород. Последний столбец напоминает о характерных особенностях, но не заменяет условия реакции: например, для азотной кислоты нельзя применять обычное правило о выделении водорода металлом.

Разбор задач

Задача 1. Распредели HCl, H₂SO₄, HNO₃ и H₂S на кислородсодержащие и бескислородные кислоты и определи основность каждой. Сначала проверь, есть ли в формуле символ O, а затем сосчитай атомы водорода, способные замещаться металлом. Во всех четырёх формулах каждый атом водорода учитывается при определении основности.

1. В HCl нет кислорода; один атом H означает, что кислота одноосновная.
2. В H₂SO₄ есть кислород; два атома H означают, что кислота двухосновная.
3. В HNO₃ есть кислород; один атом H означает, что кислота одноосновная.
4. В H₂S нет кислорода; два атома H означают, что кислота двухосновная.

Ответ: кислородсодержащие — H₂SO₄ и HNO₃; бескислородные — HCl и H₂S. Основность соответственно: HCl — одноосновная, H₂SO₄ — двухосновная, HNO₃ — одноосновная, H₂S — двухосновная.

Задача 2. Составь формулы серной, фосфорной и угольной кислот, если даны остатки SO₄²⁻, PO₄³⁻ и CO₃²⁻. Формула кислоты должна быть электронейтральной: общий положительный заряд водорода уравновешивает отрицательный заряд остатка. Поэтому число атомов H выбирают по величине заряда остатка.

1. SO₄²⁻ имеет заряд −2; два иона H⁺ дают заряд +2, поэтому формула — H₂SO₄.
2. PO₄³⁻ имеет заряд −3; нужны три иона H⁺, поэтому формула — H₃PO₄.
3. CO₃²⁻ имеет заряд −2; нужны два иона H⁺, поэтому формула — H₂CO₃.

Ответ: серная кислота — H₂SO₄, фосфорная — H₃PO₄, угольная — H₂CO₃. Проверь результат: суммарный заряд водорода и кислотного остатка в каждой формуле равен нулю.

Задача 3. Запиши реакции соляной кислоты с цинком, оксидом меди(II) и гидроксидом натрия и назови продукты. Сначала определи тип каждого вещества: Zn — металл, CuO — основной оксид, NaOH — основание. Для кислоты с цинком ожидаются соль и водород, а для оксида и основания — соль и вода.

1. Составь формулы продуктов реакции цинка: ZnCl₂ и H₂. Уравняй: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑.
2. Для CuO запиши соль CuCl₂ и воду: CuO + 2HCl → CuCl₂ + H₂O.
3. Для NaOH запиши соль NaCl и воду: HCl + NaOH → NaCl + H₂O.

Ответ: продукты первой реакции — хлорид цинка и водород, второй — хлорид меди(II) и вода, третьей — хлорид натрия и вода. Коэффициенты проверь подсчётом атомов каждого элемента слева и справа.

Типичные ошибки

• Ошибка — считать кислотой любое вещество, в формуле которого есть водород. Водород входит и в воду, и во многие другие вещества, поэтому одного символа H недостаточно; это заблуждение возникает из-за упрощённого правила. Проверь, есть ли в составе водород и кислотный остаток, например в HCl или H₂SO₄.

• Ошибка — путать основность с силой или концентрацией кислоты. Основность считают по числу замещаемых атомов водорода, тогда как сила и концентрация характеризуют другие свойства; смешение возникает из-за похожего звучания терминов. Проверь себя по формуле: у H₂SO₄ основность равна двум независимо от концентрации раствора.

• Ошибка — записывать число атомов водорода без учёта заряда остатка. Если заряд остатка −2, одного H⁺ недостаточно для электронейтральности; так получают неверную формулу при переносе символов без проверки. Сложи заряды: для SO₄²⁻ нужно два H⁺, значит, формула — H₂SO₄.

• Ошибка — предполагать, что кислота реагирует с любым металлом. Реакция зависит от места металла в ряду активности и от особенностей кислоты, поэтому правило о выделении водорода подходит не всегда; его часто применяют слишком широко. Перед записью уравнения проверь, допустима ли реакция в данных условиях, и уравняй атомы.

Связь с другими темами

Чтобы разбирать формулы кислот, нужны знания о строении атома, ионах, валентности и степени окисления, а также о составе сложных веществ. Понимание зарядов помогает находить кислотный остаток и составлять электронейтральные формулы. Без этих навыков легко ошибиться в числе атомов водорода.

Представление о растворах и индикаторах объясняет, почему кислоты обнаруживают по изменению окраски. Тема готовит к изучению солей, реакций обмена и электролитической диссоциации — распада веществ на ионы в растворе. Эти понятия связывают состав кислоты с её поведением.

Свойства кислот пригодятся при составлении уравнений и распознавании веществ по продуктам реакций. Реакция кислоты с основанием называется нейтрализацией: образуются соль и вода. Это правило помогает разбирать многие реакции обмена.

Что запомнить

• Кислоты состоят из атомов водорода и кислотного остатка.
• Кислотный остаток определяет название и многие свойства кислоты.
• Основность кислоты равна числу замещаемых атомов водорода.
• Кислоты бывают кислородсодержащими и бескислородными.
• Растворы кислот изменяют окраску индикаторов.
• Кислоты реагируют с некоторыми металлами, основными оксидами и основаниями.
• При реакции кислоты с основанием образуются соль и вода.