§ 26. Кислоты

Определения и обозначения

Кислота — сложное вещество, состоящее из атомов водорода и кислотного остатка. Например, в HCl есть один атом водорода и остаток Cl, а в H₂SO₄ — два атома водорода и остаток SO₄. Такое определение помогает отличать кислоты от других веществ, в формулах которых тоже встречается водород.

Кислотный остаток — атом или группа атомов, соединённых с водородом и определяющих состав кислоты. В формулах HCl, H₂SO₄ и HNO₃ остатки соответственно Cl, SO₄ и NO₃. По остатку можно установить, к какому виду относится кислота, и составить её название.

Основность кислоты — число атомов водорода, способных замещаться атомами металла. Например, HCl одноосновная, а H₂SO₄ двухосновная кислота. Основность нужна, чтобы классифицировать кислоты и правильно составлять формулы солей, которые получаются при замещении водорода металлом.

Индикаторы — вещества, изменяющие окраску в кислой среде. К ним относятся лакмус, метилоранж и фенолфталеин. Сравнивая их цвет в растворе с известной окраской, можно определить, проявляет ли раствор кислотные свойства.

Как это устроено

Чтобы прочитать формулу кислоты, сначала находят символы водорода в её начале, а затем выделяют оставшуюся часть формулы. Например, в H₂SO₄ два атома H, а SO₄ — кислотный остаток. Название часто связано с остатком: H₂SO₄ — серная кислота, HNO₃ — азотная, HCl — соляная. Этот способ помогает не спутать состав вещества и его название.

Кислоты делят на кислородсодержащие и бескислородные, потому что кислород есть не в каждой их формуле: он присутствует в H₂SO₄ и HNO₃, но отсутствует в HCl и H₂S. Другое деление связано с количеством замещаемых атомов водорода. HCl — одноосновная, H₂SO₄ — двухосновная; кислота с тремя такими атомами водорода была бы многоосновной. Эти признаки описывают разные стороны состава, поэтому кислоту можно отнести сразу к двум группам: например, H₂SO₄ — кислородсодержащая и двухосновная.

В воде молекулы кислот образуют ионы водорода и ионы кислотного остатка. Именно появление ионов водорода объясняет общие свойства растворов кислот: разные кислоты способны менять индикаторы и вступать в похожие типы реакций. При этом сами кислотные остатки различаются, поэтому соли и некоторые другие продукты у разных кислот будут разными.

Индикаторы реагируют на среду раствора изменением окраски, но делают это по-разному, потому что являются разными веществами. В кислой среде лакмус краснеет, метилоранж тоже становится красным, а фенолфталеин остаётся бесцветным. Нельзя судить о кислоте только по одному «универсальному» цвету: для надёжной проверки нужно знать, как выбранный индикатор ведёт себя именно в кислой среде.

Кислоты вступают в реакции, если образование продуктов делает превращение возможным. С активными металлами разбавленные кислоты могут давать соль и водород; с основаниями и основными оксидами образуются соль и вода. Обмен с солью обычно идёт до конца, если появляется осадок или газ: удаление одного из продуктов из раствора способствует дальнейшему протеканию реакции. Наблюдаемые признаки — пузырьки газа, осадок или изменение окраски — помогают заметить превращение, но формулы продуктов всё равно нужно проверить.

Состав, классификация и химические свойства кислот

Таблица помогает быстро сопоставить признак кислоты с его значением и примером. Сначала определите, что именно нужно выяснить: состав, основность, наличие кислорода или возможную реакцию. Затем проверьте формулу и используйте соответствующую строку; для реакций обязательно учитывайте условия и проверяйте уравнение.

Разбор задач

Классификация кислот по формуле

Условие. Распределите HCl, H₂SO₄, HNO₃ и H₂S на кислородсодержащие и бескислородные кислоты, укажите названия и основность. Для решения важно проверять не только количество букв H, но и то, какие атомы относятся к кислотному остатку. Названия нужны, чтобы связать формулу с составом вещества.

1. В HCl и H₂S кислорода нет, поэтому это бескислородные кислоты. HCl — соляная, H₂S — сероводородная.
2. В H₂SO₄ и HNO₃ есть кислород, значит, это кислородсодержащие кислоты. Их названия — серная и азотная.
3. Считаем замещаемые атомы водорода: один в HCl и HNO₃, два в H₂SO₄ и H₂S. Следовательно, первые две кислоты одноосновные, а последние две — двухосновные.

Ответ. HCl — бескислородная одноосновная соляная кислота; H₂S — бескислородная двухосновная сероводородная кислота. H₂SO₄ — кислородсодержащая двухосновная серная кислота, HNO₃ — кислородсодержащая одноосновная азотная кислота.

Уравнения реакций соляной кислоты

Условие. Составьте уравнения реакций HCl с цинком, гидроксидом натрия и оксидом меди(II). Здесь представлены металл, основание и основной оксид, поэтому для каждого случая выбираем свою общую схему. После записи формул продуктов нужно уравнять число атомов в обеих частях.

1. Цинк — активный металл, поэтому образуются соль ZnCl₂ и водород H₂. Сначала записываем Zn + HCl → ZnCl₂ + H₂, затем ставим коэффициент 2 перед HCl: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂.
2. Кислота с основанием даёт соль и воду. Получаем HCl + NaOH → NaCl + H₂O; атомы уже уравнены, коэффициенты равны 1.
3. Кислота с основным оксидом также образует соль и воду. Формула соли — CuCl₂, поэтому требуются два атома хлора: CuO + 2HCl → CuCl₂ + H₂O.

Ответ. Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂; HCl + NaOH → NaCl + H₂O; CuO + 2HCl → CuCl₂ + H₂O. В каждом уравнении проверьте отдельно число атомов каждого элемента слева и справа. Такая проверка обнаруживает пропущенные коэффициенты.

Определение кислотного остатка по осадку

Условие. К раствору неизвестной кислоты добавили BaCl₂, и образовался белый осадок. Нужно определить возможный кислотный остаток и записать молекулярное уравнение. Белый осадок в этой реакции позволяет предположить наличие сульфат-иона SO₄²⁻, поскольку образуется малорастворимый сульфат бария.

1. Определяем кислотный остаток: осадок указывает на SO₄²⁻, значит, возможна серная кислота H₂SO₄.
2. Составляем продукты обмена: Ba²⁺ соединяется с SO₄²⁻ и образует BaSO₄↓, а оставшиеся H⁺ и Cl⁻ дают HCl. Записываем H₂SO₄ + BaCl₂ → BaSO₄↓ + HCl.
3. В левой части два атома хлора и два атома водорода, поэтому ставим коэффициент 2 перед HCl. Получается H₂SO₄ + BaCl₂ → BaSO₄↓ + 2HCl; число атомов каждого элемента совпадает.

Ответ. Возможный кислотный остаток — сульфат-ион SO₄²⁻, а кислота — серная H₂SO₄. Уравнение реакции: H₂SO₄ + BaCl₂ → BaSO₄↓ + 2HCl. Стрелка вниз обозначает выпадение осадка.

Типичные ошибки

Ошибочно считать кислотами все вещества, в формулах которых есть водород. Так рассуждают, потому что замечают символ H, но не проверяют состав вещества и его свойства; например, вода тоже содержит водород, однако к кислотам не относится. Проверьте, есть ли в веществе кислотный остаток и проявляет ли водный раствор характерные свойства кислот.

Иногда основность определяют по общему числу атомов водорода в формуле. Ошибка возникает, когда любой индекс возле H принимают за готовый ответ, хотя учитываются только атомы, способные замещаться металлом. Сопоставьте формулу с определением основности и проверьте, сколько атомов водорода может войти в состав соли вместо металла.

Нельзя записывать реакцию любой кислоты с любым металлом с выделением водорода. Такое обобщение забывает об активности металла и особенностях конкретной кислоты, поэтому предсказанный продукт может оказаться неверным. Перед составлением уравнения выясните, достаточно ли активен металл и применима ли к данной кислоте схема «соль плюс водород».

При обменных реакциях часто неверно составляют формулы продуктов или оставляют уравнение без коэффициентов. Это происходит, если сразу угадывать продукты и не проверять заряды и число атомов. Сначала правильно составьте формулы веществ, затем уравняйте элементы и пересчитайте атомы по обе стороны стрелки.

Связь с другими темами

Для работы с кислотами понадобятся знания о химических формулах, валентности и составе сложных веществ, а также умение распознавать признаки реакций и расставлять коэффициенты. Позже эта тема поможет изучать основания, соли, реакции обмена и электролитическую диссоциацию — распад веществ на ионы в растворе. Понимание кислотных свойств используют при распознавании веществ, решении расчётных задач и объяснении процессов в быту и промышленности.

Что запомнить

• Кислоты состоят из атомов водорода и кислотного остатка.
• Кислотный остаток определяет вид кислоты и её название.
• Основность кислоты равна числу замещаемых атомов водорода.
• Кислоты изменяют окраску индикаторов и имеют общие химические свойства.
• Активные металлы реагируют с кислотами с образованием соли и водорода.
• При взаимодействии кислот с основаниями и основными оксидами образуются соль и вода.
• Реакция кислоты с солью идёт до конца при образовании осадка или газа.