§ 9. Кислоты как электролиты

Определения и обозначения

Кислота — электролит, который в водном растворе диссоциирует с образованием катионов водорода и анионов кислотного остатка. Например, HCl даёт H⁺ и Cl⁻. Это определение помогает отличать кислоты от других электролитов по составу образующихся ионов.

Электролитическая диссоциация — распад электролита на ионы при растворении в воде или расплавлении. Вода разделяет связанные частицы и окружает ионы, делая их подвижными. Поэтому раствор кислоты проводит электрический ток и вступает в реакции обмена.

Кислотный остаток — анион, остающийся после отделения от молекулы кислоты всех атомов водорода, способных замещаться металлом. В H₂SO₄ таким остатком является SO₄²⁻, а в H₃PO₄ — PO₄³⁻. По заряду остатка можно проверить правильность уравнения диссоциации.

Основность кислоты — число атомов водорода в её молекуле, которые могут замещаться металлом. У HCl основность равна 1, у H₂SO₄ — 2, у H₃PO₄ — 3. Это число показывает, сколько ступеней обычно имеет диссоциация многоосновной кислоты.

Как это устроено

Молекула воды полярна: у атома кислорода возникает частичный отрицательный заряд, а у атомов водорода — частичный положительный. Поэтому молекулы воды притягиваются к противоположно заряженным частям частицы кислоты. Такое взаимодействие ослабляет связь внутри кислоты, и частицы легче разделяются на ионы.

Общую схему можно записать так: H_nA ⇄ nH⁺ + Aⁿ⁻, где A — кислотный остаток. В воде свободный H⁺ фактически связывается с молекулой воды и образует ион H₃O⁺, но для краткости используют запись H⁺. Анионы и гидратированные катионы перемещаются к электродам, поэтому раствор становится проводником.

Одноосновная кислота отдаёт один ион водорода: HCl → H⁺ + Cl⁻. Для двухосновной кислоты суммарная схема имеет вид H₂SO₄ → 2H⁺ + SO₄²⁻, а для трёхосновной H₃PO₄ ⇄ 3H⁺ + PO₄³⁻. Стрелка вправо показывает практически полное протекание процесса, а обратимая стрелка — установление равновесия.

У многоосновной кислоты каждый следующий атом водорода отделяется отдельно, потому что после первой ступени образуется уже другая частица с иным зарядом и составом. Поэтому H₂SO₄ диссоциирует сначала до HSO₄⁻, а затем до SO₄²⁻; H₃PO₄ проходит три ступени. Сила кислоты связана со степенью диссоциации: сильные кислоты распадаются в растворе почти полностью, а слабые — лишь частично, сохраняя значительную часть исходных молекул.

Диссоциация кислот и их характеристики

Сначала найдите в формуле число замещаемых атомов водорода, затем определите заряд кислотного остатка. В уравнении проверьте число атомов каждого элемента и суммарный заряд левой и правой частей. Для многоосновных кислот отдельные ступени показывают состав промежуточных и конечного анионов.

Разбор задач

Задача 1. Диссоциация HCl

Запишите уравнение диссоциации HCl в водном растворе. В молекуле HCl один атом водорода и один атом хлора, поэтому кислота одноосновная. Нужно подобрать ионы так, чтобы сохранились и состав вещества, и общий нулевой заряд молекулы.

1. Атом водорода превращается в катион H⁺.
2. Оставшаяся частица хлора становится анионом Cl⁻.
3. Проверяем: слева один атом H и один атом Cl, справа те же атомы; сумма зарядов справа равна +1 − 1 = 0.

Ответ: HCl → H⁺ + Cl⁻.

Задача 2. Ступенчатая диссоциация H₂SO₄

Запишите ступенчатую диссоциацию серной кислоты и назовите образующиеся ионы. В её молекуле два замещаемых атома водорода, значит, нужно записать две ступени. На первой отделяется один H⁺, а на второй — ещё один.

1. Отделяем первый катион: H₂SO₄ → H⁺ + HSO₄⁻. Заряд иона HSO₄⁻ равен −1, потому что молекула потеряла положительно заряженный H⁺.
2. Отделяем второй катион: HSO₄⁻ ⇄ H⁺ + SO₄²⁻. Заряд остатка уменьшается ещё на единицу и становится −2.
3. Образующиеся ионы: H⁺, HSO₄⁻ и SO₄²⁻; конечный кислотный остаток — SO₄²⁻.

Ответ: H₂SO₄ → H⁺ + HSO₄⁻; HSO₄⁻ ⇄ H⁺ + SO₄²⁻.

Задача 3. Диссоциация H₃PO₄

Для H₃PO₄ определите основность, запишите ступени диссоциации и назовите кислотные остатки. В формуле три атома водорода, способных замещаться, поэтому кислота трёхосновная. Каждый раз отделяем только один H⁺ и контролируем заряд оставшейся частицы.

1. Первая ступень: H₃PO₄ ⇄ H⁺ + H₂PO₄⁻; образуется дигидрофосфат-ион.
2. Вторая ступень: H₂PO₄⁻ ⇄ H⁺ + HPO₄²⁻; образуется гидрофосфат-ион.
3. Третья ступень: HPO₄²⁻ ⇄ H⁺ + PO₄³⁻; образуется фосфат-ион.

Ответ: основность равна 3; кислотные остатки по ступеням — H₂PO₄⁻, HPO₄²⁻ и PO₄³⁻.

Типичные ошибки

Полный распад многоосновной кислоты записывают сразу. Так теряются промежуточные ионы, хотя водороды отделяются последовательно. Проверьте число замещаемых атомов и запишите отдельную ступень для каждого из них.

Основность принимают за число всех атомов водорода в формуле. Учитывать нужно только те атомы, которые способны замещаться металлом. Сверьте основность с количеством ступеней диссоциации и зарядом конечного остатка.

Неверно определяют заряд кислотного остатка. Ошибка возникает, если не учитывать, сколько катионов H⁺ отделилось. Сложите заряды всех ионов справа: для нейтральной исходной молекулы сумма должна быть равна нулю.

Все кислоты считают одинаково сильными. Сила не равна основности: она показывает, какая доля молекул распалась на ионы. Смотрите на знак равновесия и помните, что сильные кислоты диссоциируют значительно полнее слабых.

Связь с другими темами

Для изучения диссоциации нужны знания о строении атома и иона, а также о катионах и анионах. Нужно уметь определять состав и заряд иона, иначе невозможно правильно записать кислотный остаток и проверить уравнение.

Уравнения диссоциации используются при изучении химических свойств кислот и реакций ионного обмена. Они помогают составлять полные и сокращённые ионные уравнения, оставляя только частицы, действительно участвующие в реакции.

Что запомнить

• Кислоты в водном растворе образуют катионы H⁺ и анионы кислотного остатка.
• Кислотный остаток — анион, остающийся после отделения атомов водорода.
• Основность кислоты равна числу замещаемых атомов водорода в её молекуле.
• Диссоциация многоосновных кислот происходит ступенчато.
• Сила кислоты определяется степенью её диссоциации в растворе.
• В уравнении диссоциации должны сохраняться число атомов и суммарный заряд.