§ 39. Кислоты, их классификация и свойства

Определения и обозначения

Кислота — сложное вещество, состоящее из атомов водорода и кислотного остатка; её общую формулу можно записать как HₙA. Здесь n показывает число атомов водорода, а A обозначает кислотный остаток. В воде кислота диссоциирует — распадается на ионы, среди которых образуются катионы водорода H⁺ и анионы кислотного остатка.

Кислотный остаток — атом или группа атомов, остающиеся в составе кислоты после отделения водорода. В формуле HCl это Cl, а в H₂SO₄ — SO₄; остаток несёт отрицательный заряд, компенсирующий положительный заряд атомов водорода. Например, сульфат-ион SO₄²⁻ соединён с двумя H⁺, поэтому формула кислоты — H₂SO₄.

Основность кислоты — число атомов водорода в её молекуле, способных замещаться атомами металла. Например, HCl одноосновная, H₂SO₄ двухосновная, а H₃PO₄ трёхосновная. Это понятие нужно, чтобы классифицировать кислоты и правильно составлять формулы образующихся солей.

Индикатор — вещество, которое меняет окраску в зависимости от среды раствора. Например, лакмус в кислой среде становится красным, а фенолфталеин остаётся бесцветным. Индикаторы используют, когда нужно обнаружить кислоту или отличить её раствор от щёлочи.

Как это устроено

Число атомов водорода в формуле кислоты связано с зарядом кислотного остатка. Молекула вещества в целом электронейтральна, поэтому положительный заряд водорода должен уравновесить отрицательный заряд остатка. Например, заряд SO₄²⁻ компенсируют два иона H⁺, и получается формула H₂SO₄; у Cl⁻ заряд −1, поэтому ему соответствует один H⁺ в HCl.

Кислоты разделяют на кислородсодержащие и бескислородные по наличию атомов кислорода в составе. HNO₃ и H₂SO₄ относятся к кислородсодержащим, а HCl и H₂S — к бескислородным. Другая классификация основана на основности: считают атомы водорода, которые могут замещаться металлом, а не атомы кислорода.

Растворы разных кислот проявляют общие свойства, потому что при диссоциации в них появляются катионы водорода H⁺. Анионы остатков у кислот различаются, но наличие H⁺ объясняет характерное действие растворов на индикаторы и участие кислот в типичных реакциях. Чем полнее кислота распадается на ионы в растворе, тем больше в нём свободных ионов.

Кислота меняет окраску индикатора потому, что индикатор по-разному выглядит в кислой, нейтральной и щелочной среде. С металлами, стоящими в ряду активности до водорода, многие кислоты реагируют с образованием соли и водорода. Основный оксид или основание нейтрализуют кислоту: при обмене частицами образуются соль и вода.

Продукты взаимодействия с металлами зависят от активности металла и свойств кислоты: не любой металл вытесняет водород, а азотная и концентрированная серная кислоты ведут себя иначе. В реакции кислоты с солью обмен обычно протекает, если появляется осадок, газ или слабый электролит, например вода. Эти продукты удаляются из раствора как отдельная фаза или почти не распадаются на ионы, поэтому превращение продолжается.

Классификация кислот и их основные химические свойства

Сначала определите, какой признак или реагент указан в первом столбце, затем найдите ожидаемое превращение во втором. Третий столбец показывает пример, но при решении новой задачи нужно проверить состав реагентов и уравнять число атомов. Для реакции с солью отдельно проверьте, возникает ли осадок, газ или слабый электролит.

Разбор задач

1. Классификация кислот

Условие: распределите HCl, H₂SO₄, HNO₃, H₂S и H₃PO₄ по наличию кислорода и основности. Основность определяют по числу замещаемых атомов водорода, а наличие кислорода — простым просмотром формулы. Поэтому сначала разделим кислоты по составу, а затем посчитаем атомы водорода.

1. В H₂SO₄, HNO₃ и H₃PO₄ есть кислород; это кислородсодержащие кислоты. В HCl и H₂S кислорода нет, поэтому они бескислородные.
2. В HCl и HNO₃ по одному атому водорода: это одноосновные кислоты. H₂SO₄ и H₂S двухосновные, а H₃PO₄ трёхосновная.
3. Проверка: число атомов водорода в формулах совпадает с указанной основностью, а кислородсодержащие формулы действительно содержат O.

Ответ: кислородсодержащие — H₂SO₄, HNO₃, H₃PO₄; бескислородные — HCl, H₂S. Одноосновные — HCl, HNO₃; двухосновные — H₂SO₄, H₂S; трёхосновная — H₃PO₄.

2. Уравнения реакций соляной кислоты

Условие: составьте уравнения реакций HCl с цинком, оксидом меди(II) и гидроксидом натрия. Сначала определим класс второго реагента, потому что он подсказывает тип реакции и продукты. Затем запишем формулы продуктов и расставим коэффициенты, чтобы число атомов каждого элемента слева и справа совпадало.

1. Цинк — металл до водорода в ряду активности, значит, образуются соль ZnCl₂ и водород H₂. Уравнение: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑.
2. CuO — основный оксид, поэтому кислота даёт соль и воду. Уравнение: CuO + 2HCl → CuCl₂ + H₂O.
3. NaOH — основание, а значит, происходит нейтрализация с образованием соли и воды. Уравнение: HCl + NaOH → NaCl + H₂O.

Ответ: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑; CuO + 2HCl → CuCl₂ + H₂O; HCl + NaOH → NaCl + H₂O. В первом уравнении коэффициент 2 перед HCl нужен для двух атомов хлора в ZnCl₂ и двух атомов водорода в H₂. Во втором уравнении он обеспечивает нужное число атомов водорода и хлора.

3. Распознавание растворов

Условие: в трёх пробирках находятся HCl, NaOH и NaCl; предложите план распознавания с индикатором и доступными реакциями. Сначала определим кислую и щелочную среды индикатором, а затем проверим оставшийся раствор реакцией на хлорид-ионы. Пробы берут отдельно, чтобы не смешивать неизвестные растворы.

1. Добавим в небольшие порции растворов лакмус или универсальный индикатор. Красная окраска укажет на HCl, синяя — на NaOH, а фиолетовая или нейтральная окраска — на NaCl.
2. Чтобы подтвердить наличие хлорид-иона, к пробе предполагаемого NaCl добавим раствор нитрата серебра AgNO₃. Появление белого осадка AgCl подтверждает хлорид: NaCl + AgNO₃ → AgCl↓ + NaNO₃.
3. При необходимости кислоту можно подтвердить добавлением цинка к отдельной пробе: выделение пузырьков водорода характерно для HCl. Нельзя проводить эту проверку, смешивая содержимое пробирок.

Ответ: сначала различаем кислоту, щёлочь и нейтральный раствор индикатором; затем проверяем предполагаемый NaCl нитратом серебра. Белый осадок подтверждает хлорид-ионы, а выделение водорода при действии цинка служит дополнительным признаком HCl.

Типичные ошибки

Ошибка: считать основность по числу атомов кислорода. Её допускают, потому что пытаются вывести классификацию из всей формулы, а не из числа замещаемых атомов водорода. Проверка простая: посмотрите на водород в начале формулы кислоты и определите, сколько таких атомов может замениться металлом.

Ошибка: неверно записывать формулу кислоты или кислотного остатка, не учитывая заряды. Тогда формула не будет электронейтральной: например, остаток SO₄²⁻ требует двух H⁺, а не одного. Перед записью формулы проверьте, что суммарный заряд положительных и отрицательных частиц равен нулю.

Ошибка: полагать, что любая кислота реагирует с любым металлом с выделением водорода. Это кажется логичным по общему правилу, но нужно учитывать место металла в ряду активности и свойства кислоты. Сверьте положение металла с водородом и помните об исключениях для азотной и концентрированной серной кислот.

Ошибка: записывать реакцию кислоты с любой солью без проверки продуктов. В растворе обмен может не дать заметного превращения, если все вещества остаются растворимыми и сильными электролитами. Проверьте, появляется ли осадок, газ или слабый электролит; если нет, оснований считать реакцию протекающей обычно нет.

Связь с другими темами

Для изучения кислот нужны знания о составе сложных веществ, валентности и зарядах ионов: они помогают выводить формулы, в которых суммарный заряд равен нулю. Ряд активности металлов, понятие электролита и признаки химических реакций нужны, чтобы предсказывать продукты и понимать, что происходит в растворе. Эти знания пригодятся при изучении солей, реакций обмена и электролитической диссоциации. На их основе также разбирают качественные реакции, позволяющие обнаруживать отдельные ионы.

Что запомнить

• Кислоты состоят из атомов водорода и кислотного остатка.
• Основность кислоты равна числу замещаемых атомов водорода.
• Кислоты бывают кислородсодержащими и бескислородными.
• В растворах кислоты диссоциируют с образованием катионов водорода.
• Кислоты изменяют окраску индикаторов.
• Кислоты реагируют с активными металлами, основными оксидами и основаниями.
• Реакции кислот с солями протекают при образовании осадка, газа или слабого электролита.