§ 21. Кислоты

Определения и обозначения

Кислота — сложное вещество, состоящее из атомов водорода и кислотного остатка. Её общую формулу записывают как HₙA: H обозначает водород, A — кислотный остаток, а n — число атомов водорода. Например, в H₂SO₄ содержатся два атома водорода и остаток SO₄. Такое представление помогает увидеть состав кислоты и правильно составлять её формулу.

Кислотный остаток — атом или группа атомов, остающиеся после отщепления от кислоты атомов водорода. Он имеет отрицательный заряд, который уравновешивается положительным зарядом атомов водорода в молекуле. Так, у серной кислоты H₂SO₄ остаток SO₄²⁻, а у соляной кислоты HCl — Cl⁻. Заряд остатка нужен, чтобы составлять формулы солей.

Основность кислоты — число атомов водорода в её молекуле, которые могут замещаться атомами металла. Например, HCl — одноосновная кислота, а H₂SO₄ — двухосновная. Это свойство помогает понять, сколько атомов металла или каких групп потребуется при образовании соли. Основность не определяют по наличию кислорода или по одному лишь заряду остатка.

Кислородсодержащими называют кислоты, в формулах которых есть кислород, например H₂SO₄ и H₃PO₄. В бескислородных кислотах кислорода нет: к ним относятся HCl и H₂S. Деление показывает различие в составе, но не сообщает, сколько атомов водорода может замещаться. Для этого отдельно определяют основность кислоты.

Как это устроено

Формула кислоты показывает, как связаны атомы водорода и кислотный остаток. В ней суммарный положительный заряд водорода уравновешивает отрицательный заряд остатка, поэтому молекула в целом нейтральна. Например, два атома водорода имеют общий заряд +2, а остаток SO₄ — заряд −2; вместе они образуют H₂SO₄. По этому соотношению можно проверять формулы и составлять соли.

Кислоты делят на кислородсодержащие и бескислородные, проверяя наличие символа O в формуле. H₂SO₄ и H₃PO₄ содержат кислород, а HCl и H₂S — нет. Это деление описывает только состав вещества, а не его основность или силу. Поэтому для полной характеристики кислоты нужно отдельно рассмотреть её формулу и свойства.

Чтобы определить основность, считают атомы водорода, способные замещаться металлом. У HCl такой атом один, у H₂SO₄ — два, у H₃PO₄ — три, поэтому кислоты одно-, двух- и трёхосновные соответственно. Нельзя считать основность по числу атомов кислорода или принимать её за заряд кислотного остатка. В более сложных веществах также важно учитывать, какие именно атомы водорода способны замещаться.

Индикаторы меняют окраску в зависимости от среды раствора, потому что их цвет зависит от условий, в которых находится вещество-индикатор. В кислой среде лакмус краснеет, поэтому с его помощью можно проверить, является ли раствор кислым. Индикатор не заменяет изучение формулы, а служит простым способом распознать среду раствора. Для сравнения важно использовать один и тот же индикатор и наблюдать именно его характерное изменение цвета.

Кислоты реагируют с металлами, стоящими в ряду активности до водорода: металл вытесняет водород, а остаток кислоты соединяется с металлом, образуя соль. С основным оксидом или основанием кислота тоже образует соль, но второй продукт в таких реакциях — вода. Эти реакции различаются продуктами, поэтому важно проверить, с каким веществом взаимодействует кислота. Для металлов учитывают ряд активности, а для оксидов и оснований составляют уравнение и проверяют баланс атомов.

Классификация кислот и их характерные признаки

Сначала найдите в таблице нужный признак, а затем сравните формулу или условия задачи с указанным правилом. Примеры показывают, как правило применяется к конкретным веществам. При записи реакций отдельно проверьте формулы продуктов и число атомов по обе стороны стрелки.

Разбор задач

Задача 1. Определите, какие из формул HCl, H₂SO₄ и H₃PO₄ относятся к кислородсодержащим кислотам и какова основность каждой кислоты. Сначала посмотрим, есть ли в формуле символ O, а затем подсчитаем атомы водорода, которые способны замещаться металлом. В этих примерах число таких атомов соответствует числу H в формуле. Полученные сведения позволяют назвать и вид, и основность каждой кислоты.

1. В HCl символа O нет, поэтому это бескислородная кислота; один атом H означает основность 1.
2. В H₂SO₄ есть кислород, а два атома H дают основность 2.
3. В H₃PO₄ тоже есть кислород, а три атома H дают основность 3.

Ответ: HCl — бескислородная одноосновная кислота; H₂SO₄ — кислородсодержащая двухосновная; H₃PO₄ — кислородсодержащая трёхосновная.

Задача 2. Составьте уравнение реакции цинка с соляной кислотой и назовите продукты. Цинк стоит в ряду активности до водорода, поэтому в обычной реакции с соляной кислотой он вытесняет водород. Кислотный остаток Cl соединяется с цинком, который образует ион Zn²⁺. Чтобы уравнять атомы и заряд, к двум атомам хлора нужны две молекулы HCl.

1. Записываем схему: Zn + HCl → ZnCl₂ + H₂.
2. В ZnCl₂ два атома хлора, поэтому ставим коэффициент 2 перед HCl.
3. Теперь два атома водорода слева образуют молекулу H₂; остальные атомы уже уравнены.

Ответ: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂. Образуются хлорид цинка и водород.

Задача 3. Составьте уравнения реакций серной кислоты с оксидом меди(II) и гидроксидом натрия, назовите соли и расставьте коэффициенты. В обоих случаях кислота образует соль и воду, но вещества-партнёры относятся к разным классам: CuO — основной оксид, NaOH — основание. Заряд иона меди равен +2, а остатка SO₄ — −2, поэтому формула первой соли CuSO₄. Натрий имеет заряд +1, поэтому в сульфате натрия нужны два атома натрия.

1. Для оксида записываем CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O и проверяем число атомов: уравнение уже сбалансировано.
2. Для основания записываем NaOH + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + H₂O.
3. Чтобы получить два атома натрия, ставим 2 перед NaOH; затем ставим 2 перед H₂O, чтобы уравнять водород и кислород.

Ответ: CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O — образуются сульфат меди(II) и вода; 2NaOH + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + 2H₂O — образуются сульфат натрия и вода.

Типичные ошибки

Ошибка — считать кислотой любое вещество, в формуле которого есть водород. Водород входит в состав разных сложных веществ, поэтому одного этого признака недостаточно. Проверяйте, образуют ли атомы водорода и кислотный остаток характерный состав кислоты. Например, формулу нужно рассматривать целиком, а не искать в ней только букву H.

Иногда основность путают с наличием кислорода или зарядом кислотного остатка. Такая ошибка возникает, если опираться на один признак вместо подсчёта замещаемых атомов водорода. Проверьте, сколько атомов H в кислоте может замещаться металлом: именно это число определяет основность. Кислородсодержащая кислота может иметь разную основность.

Неверно ожидать выделения водорода при реакции кислоты с любым металлом. В ряду активности металлы расположены по способности вытеснять водород, и металлы после водорода обычно его не выделяют. Перед составлением реакции найдите металл в ряду и проверьте его положение относительно водорода. Не забывайте, что отдельные кислоты и условия реакции могут давать исключения из простого правила.

При реакции нейтрализации нельзя записывать только соль и забывать о воде. Ошибку допускают, когда замечают образование солевого остатка, но не учитывают частицы основания и кислоты. Проверьте, взаимодействуют ли кислота и основание: тогда среди продуктов должны быть соль и вода. После этого уравняйте число атомов с обеих сторон.

Связь с другими темами

Чтобы разбираться в кислотах, нужно уметь определять состав сложных веществ, пользоваться валентностью и зарядами ионов и составлять формулы. Эти знания нужны, например, чтобы верно записывать кислотный остаток и формулу соли. При изучении реакций пригодятся ряд активности металлов, свойства индикаторов и правила уравнивания химических уравнений. Понимание кислот помогает перейти к теме солей, реакциям ионного обмена и способам получения веществ.

Что запомнить

• Кислота состоит из атомов водорода и кислотного остатка.
• Кислоты делят на кислородсодержащие и бескислородные.
• Основность показывает число замещаемых атомов водорода в молекуле кислоты.
• В кислой среде лакмус краснеет.
• Кислоты реагируют с некоторыми металлами с образованием соли и водорода.
• При взаимодействии кислоты с основным оксидом или основанием образуются соль и вода.