§ 39. Кислоты, их классификация и свойства

Определения и обозначения

Кислота — сложное вещество, которое в водном растворе диссоциирует, то есть распадается на ионы, с образованием катионов водорода и анионов кислотного остатка. Например, HCl в воде даёт H⁺ и Cl⁻. Это определение помогает узнавать кислоты не только по формуле, но и по тому, какие частицы они образуют в растворе.

Кислотный остаток — часть молекулы кислоты, остающаяся после отщепления катионов водорода. В H₂SO₄ это SO₄²⁻, а в HNO₃ — NO₃⁻. Знание остатка нужно, чтобы правильно составлять формулы солей и записывать продукты реакций кислот.

Основность кислоты — число атомов водорода в её молекуле, способных замещаться атомами металла. Например, в H₂SO₄ таких атомов два, поэтому кислота двухосновная. Основность позволяет судить о составе кислотного остатка и правильно составлять формулы солей.

Кислородсодержащие и бескислородные кислоты — группы, различающиеся наличием или отсутствием атомов кислорода в составе. H₂SO₄ относится к кислородсодержащим, а H₂S — к бескислородным. Такое деление нужно, чтобы классифицировать кислоту по её формуле, а не только по названию.

Как это устроено

В формуле кислоты сначала записывают атомы водорода, а затем кислотный остаток. Число атомов водорода показывает, сколько положительных зарядов нужно уравновесить зарядом остатка: например, в H₂SO₄ два H⁺ уравновешивают остаток SO₄²⁻. Поэтому по формуле можно определить состав обеих частей, а при диссоциации понять, какие ионы появятся в растворе.

Кислоты делят по двум независимым признакам. Если в формуле есть кислород, кислота кислородсодержащая: HNO₃, H₂CO₃; если кислорода нет — бескислородная: HCl, H₂S. По основности различают одноосновные кислоты HCl и HNO₃, двухосновные H₂SO₄ и H₂S, трёхосновную H₃PO₄; это число замещаемых водородов, а не атомов кислорода или всех элементов формулы.

Раствор кислоты содержит ионы H⁺, и именно с ними связано изменение окраски индикаторов. Индикатор — вещество, которое меняет цвет в зависимости от среды раствора. В кислой среде лакмус краснеет, метилоранж становится красным, а фенолфталеин остаётся бесцветным; по этим изменениям можно распознать кислую среду, но не определить конкретную кислоту.

Кислота может реагировать с металлом с образованием соли и водорода, если металл стоит в ряду активности до водорода и соблюдены условия реакции. Металл вытесняет водород из кислоты, а кислотный остаток соединяется с металлом и образует соль. Например, цинк реагирует с разбавленной серной кислотой, а медь, стоящая после водорода, его из разбавленной соляной кислоты не вытесняет.

Основный оксид и основание содержат части, способные взаимодействовать с кислотой, поэтому при таких реакциях обычно образуются соль и вода. Например, кислота реагирует с оксидом меди(II) или гидроксидом натрия, а состав соли определяется металлом и кислотным остатком. Соль тоже может обмениваться с кислотой: реакция обычно идёт до конца, если образуется осадок, газ или слабый электролит, например вода, который не распадается на ионы в значительной степени.

Классификация кислот и их характерные свойства

Сначала найдите в таблице реагент или признак, который соответствует условию задачи, а затем проверьте указанное условие реакции. Примеры показывают типичные продукты, но не означают, что кислота реагирует с любым веществом этого класса. Для уравнения всегда проверяйте состав веществ и расставляйте коэффициенты.

Разбор задач

Задача 1. Распределите HCl, H₂SO₄ и H₂S на кислородсодержащие и бескислородные кислоты. Нужно сравнить формулы, а не опираться на название: признак кислородсодержащей кислоты — наличие атома O. Разделите вещества по этому признаку.

1. Проверяем HCl: символа O в формуле нет, значит, кислота бескислородная.
2. Проверяем H₂SO₄: в формуле есть O, значит, кислота кислородсодержащая.
3. Проверяем H₂S: символа O нет, значит, кислота бескислородная.

Ответ: кислородсодержащая — H₂SO₄; бескислородные — HCl и H₂S.

Задача 2. Определите основность HNO₃ и H₃PO₄ и назовите их кислотные остатки. Считайте только те атомы водорода, которые могут замещаться металлом, а остаток находите после их отщепления. Индекс у водорода показывает число атомов; если индекса нет, атом один.

1. В HNO₃ один атом H, поэтому кислота одноосновная; после отщепления H⁺ остаётся остаток NO₃⁻.
2. В H₃PO₄ три атома H, поэтому кислота трёхосновная; после отщепления трёх H⁺ остаётся остаток PO₄³⁻.
3. Проверяем заряд: один положительный заряд H⁺ уравновешивается зарядом −1 у NO₃⁻, а три H⁺ — зарядом −3 у PO₄³⁻.

Ответ: HNO₃ — одноосновная, остаток NO₃⁻; H₃PO₄ — трёхосновная, остаток PO₄³⁻.

Задача 3. Составьте уравнения реакций разбавленной H₂SO₄ с цинком, CuO и NaOH. Для каждого реагента определите тип реакции, затем подберите продукты и проверьте баланс атомов. Это не один и тот же тип взаимодействия, поэтому полезно рассуждать отдельно о каждом веществе.

1. Цинк стоит до водорода в ряду активности, поэтому образуются соль ZnSO₄ и водород: Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂↑. Атомы каждого элемента уравнены.
2. CuO — основный оксид: соль CuSO₄ и вода получаются по уравнению CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O. Коэффициенты равны единице.
3. NaOH — основание, поэтому образуются Na₂SO₄ и вода. Для двух атомов натрия нужны две формульные единицы щёлочи: H₂SO₄ + 2NaOH → Na₂SO₄ + 2H₂O.

Ответ: Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂↑; CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O; H₂SO₄ + 2NaOH → Na₂SO₄ + 2H₂O.

Типичные ошибки

Ошибка — определять основность по числу всех атомов водорода в формуле, не проверяя, могут ли они замещаться металлом. Её допускают, потому что слово «основность» легко принять за простой подсчёт символов H. Сверьте формулу с правилом: учитываются именно замещаемые атомы водорода. Для обычных рассматриваемых в курсе кислот это число соответствует индексу у H или единице, если индекса нет.

Ошибка — решать, кислородсодержащая ли кислота, по её названию или знакомым свойствам. Название не всегда позволяет уверенно установить состав, поэтому такой подход может привести к неверной классификации. Проверьте формулу: наличие символа O означает, что кислота кислородсодержащая, отсутствие — что бескислородная.

Ошибка — записывать реакцию кислоты с любым металлом с выделением водорода. Обычно так рассуждают, перенося общее свойство кислот на все металлы и забывая о ряде активности. Перед записью проверьте положение металла: водород из разбавленной кислоты вытесняют металлы, стоящие до него, при подходящих условиях. Например, Zn реагирует, а Cu — нет.

Ошибка — считать, что кислота обязательно реагирует с любой солью. Сам факт обмена частями формул ещё не означает, что реакция будет идти до конца. Проверьте, появляется ли осадок, газ или слабый электролит среди продуктов; если такого результата нет, обычная обменная реакция, как правило, не протекает до конца.

Связь с другими темами

Чтобы разбирать формулы кислот, нужно уметь определять состав сложных веществ и пользоваться валентностью при составлении формул. Для предсказания реакций с металлами пригодится ряд активности, а для распознавания кислой среды — свойства индикаторов. Также важно различать типы химических реакций: соединение частиц в соли и воде или обмен ионами. Эти знания продолжатся при изучении электролитической диссоциации, солей и реакций ионного обмена.

Что запомнить

• Кислоты содержат атомы водорода и кислотный остаток.
• Кислоты делят на кислородсодержащие и бескислородные.
• Основность кислоты определяется числом замещаемых атомов водорода.
• Кислоты изменяют окраску индикаторов.
• Кислоты реагируют с некоторыми металлами с образованием соли и водорода.
• При взаимодействии кислоты с основным оксидом или основанием обычно образуются соль и вода.
• Обменная реакция кислоты с солью идёт до конца, если образуется осадок, газ или слабый электролит.