§ 21. Кислоты

Определения и обозначения

Кислота — сложное вещество, состоящее из атомов водорода и кислотного остатка. В химических реакциях атомы водорода, способные к замещению, могут заменяться атомами металла. Это объясняет, почему при взаимодействии кислоты с металлом или основанием образуются вещества с новым составом.

Кислотный остаток — часть молекулы кислоты, которая остаётся после мысленного отделения атомов водорода. Он может быть простым, например Cl, или сложным, например SO₄, то есть состоять из нескольких атомов. Выделяя остаток в формуле, можно понять, какая часть кислоты перейдёт в состав соли.

Основность кислоты — число атомов водорода в её молекуле, способных замещаться металлом. Например, HCl — одноосновная кислота, H₂SO₄ — двухосновная, а H₃PO₄ — трёхосновная. Основность помогает определить состав кислотного остатка и правильно составить формулу соли.

Индикатор — вещество, которое меняет окраску в зависимости от среды раствора. Например, синий лакмус краснеет в кислой среде, поэтому по изменению цвета можно распознать кислоту. Индикатор показывает характер среды, но сам по себе не указывает, какая именно кислота растворена.

Как это устроено

Чтобы прочитать формулу кислоты, сначала находят символы водорода, обычно стоящие в начале формулы, а затем рассматривают оставшуюся часть. В H₂SO₄ два атома водорода связаны с остатком SO₄. Индекс 2 относится только к водороду, а индекс 4 показывает число атомов кислорода в остатке. Такое разделение позволяет увидеть и состав кислоты, и возможную часть будущей соли.

Кислоты делят на кислородсодержащие и бескислородные по наличию атомов кислорода в формуле. H₂SO₄ и HNO₃ содержат кислород, а HCl и H₂S — нет. Это различие видно непосредственно из формулы: если символа O в ней нет, кислота бескислородная. Группировка помогает упорядочить вещества и правильно называть их кислотные остатки.

Основность определяют, считая только атомы водорода, которые могут замещаться металлом. Поэтому H₃PO₄ — трёхосновная кислота, хотя в её формуле всего восемь атомов: три водорода, один фосфор и четыре кислорода. Общее число атомов не показывает, сколько водорода участвует в замещении. Подсчёт именно таких атомов нужен, чтобы отличать одно-, двух- и трёхосновные кислоты.

Индикаторы меняют цвет, потому что их окраска зависит от среды раствора. В кислой среде синий лакмус становится красным, а метилоранж приобретает красную окраску. Если добавить индикатор к неизвестному раствору и наблюдать изменение цвета, можно установить, что среда кислая. При этом одинаковая окраска индикатора не позволяет определить точное название кислоты.

Кислоты взаимодействуют с некоторыми металлами, основными оксидами и основаниями. При реакции металла с кислотой обычно образуются соль и водород, но металл должен стоять в ряду активности до водорода; результат зависит и от свойств кислоты. Например, цинк реагирует с соляной кислотой: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑. Основной оксид с кислотой, как и основание, даёт соль и воду: CuO + 2HCl → CuCl₂ + H₂O, а HCl + NaOH → NaCl + H₂O. Реакция кислоты с основанием называется нейтрализацией.

Классификация кислот и их характерные признаки

Сначала проверьте, есть ли в формуле кислород, чтобы выбрать столбец. Затем найдите в таблице примеры и сравните кислотные остатки: они могут включать несколько атомов. Основность приведённых кислот определяйте отдельно — по числу замещаемых атомов водорода.

Разбор задач

Задача 1. Для HCl и H₂SO₄ укажите кислотные остатки и определите основность кислот.

1. Отделяем атомы водорода от оставшейся части каждой формулы.
2. В HCl остаётся Cl, а в H₂SO₄ — SO₄. Это и есть кислотные остатки.
3. Считаем атомы водорода: в HCl один, в H₂SO₄ два. Значит, первая кислота одноосновная, вторая двухосновная.

Ответ: остатки — Cl и SO₄; HCl — одноосновная кислота, H₂SO₄ — двухосновная.

Задача 2. Как изменится окраска синего лакмуса и метилоранжа в растворе серной кислоты?

1. Определяем среду: раствор серной кислоты является кислым.
2. Для кислой среды применяем правило лакмуса: синий цвет сменяется красным.
3. Метилоранж в кислой среде также приобретает красную окраску. Сравниваем каждый индикатор с его исходным цветом, не перенося правила одного индикатора на другой.

Ответ: синий лакмус покраснеет, метилоранж станет красным.

Задача 3. Составьте уравнение реакции цинка с соляной кислотой, расставьте коэффициенты и назовите продукты.

1. Цинк стоит в ряду активности до водорода, поэтому в реакции с соляной кислотой он может вытеснить водород. По общей схеме образуются соль и водород.
2. Кислотный остаток соляной кислоты — Cl, поэтому формула соли цинка — ZnCl₂. Записываем схему: Zn + HCl → ZnCl₂ + H₂.
3. В ZnCl₂ два атома хлора, поэтому ставим коэффициент 2 перед HCl. Теперь два атома водорода слева образуют молекулу H₂, а число атомов цинка уже одинаково.

Ответ: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑. Продукты — хлорид цинка и водород.

Типичные ошибки

Ошибочно считать кислотным остатком только один символ или один атом, например называть остатком кислоты H₂SO₄ один атом S. Такая ошибка возникает, когда формулу читают по отдельным символам и не замечают группу SO₄. Проверьте себя: мысленно отделите водород, а затем перепишите все оставшиеся атомы вместе. В данном случае остаток — SO₄, а не только S.

Основность иногда определяют по общему числу атомов в формуле. Так можно ошибочно назвать H₂SO₄ семиосновной кислотой, посчитав также серу и кислород. Основность связана только с числом замещаемых атомов водорода. Для проверки игнорируйте остальные индексы и считайте только водород в формуле кислоты.

Нельзя утверждать, что любой металл при контакте с любой кислотой выделяет водород. Это правило не учитывает положение металла в ряду активности и свойства кислоты, поэтому, например, медь нельзя без проверки считать источником водорода в реакции с кислотой. Сверьте металл с рядом активности и уточните, какая кислота участвует. Водород обычно выделяют металлы, расположенные до водорода, но кислоты-окислители могут реагировать иначе.

Путаница с окраской индикаторов приводит к неверному распознаванию среды: например, иногда считают, что синий лакмус в кислоте останется синим. Причина — запоминание исходного цвета вместо изменения. Повторите правило для кислоты: синий лакмус краснеет, метилоранж становится красным. Проверяйте отдельно цвет каждого индикатора, а не применяйте к ним одно общее правило.

Связь с другими темами

Для работы с кислотами нужно уметь читать химические формулы, различать простые и сложные вещества и помнить правила составления формул по валентности. Без этих знаний трудно отделить кислотный остаток или правильно записать соль. Далее тема помогает изучать соли, реакции обмена и нейтрализацию. Знание состава кислот также нужно для составления и уравнивания химических реакций.

Что запомнить

• Кислота состоит из атомов водорода и кислотного остатка.
• Кислотный остаток может содержать один или несколько атомов.
• Основность кислоты определяется числом замещаемых атомов водорода.
• Кислоты бывают кислородсодержащими и бескислородными.
• В кислой среде синий лакмус краснеет.
• При взаимодействии кислоты с основанием образуются соль и вода.
• Некоторые металлы реагируют с кислотами с образованием соли и водорода.