§ 32. Кислоты

Определения и обозначения

Кислота — сложное вещество, состоящее из атомов водорода и кислотного остатка. Например, формулы соляной и серной кислот — HCl и H₂SO₄. В начале формулы обычно записывают водород, за ним — остаток; такое представление помогает увидеть состав вещества и предсказать его реакции.

Кислотный остаток — часть молекулы кислоты, которая остаётся после отделения атомов водорода. В HCl это Cl, а в H₂SO₄ — SO₄. Остаток не включает замещаемые атомы водорода, и именно он переходит в состав соли при реакции кислоты с металлом или основанием.

Основность кислоты — число атомов водорода в её молекуле, которые могут замещаться металлом. HCl — одноосновная кислота, потому что в её формуле один такой атом водорода; H₂SO₄ — двухосновная. Основность позволяет определить, сколько атомов металла может войти в соль, и правильно составить формулу продукта.

Индикатор — вещество, меняющее окраску в зависимости от среды. Лакмус, например, в кислой среде становится красным. Индикаторы нужны, чтобы распознать кислую среду, даже если раствор прозрачен и по внешнему виду его состав определить нельзя.

Как это устроено

Чтобы найти кислотный остаток, выдели в формуле символы водорода в начале, а оставшуюся часть считай остатком: в H₂SO₄ это SO₄. Число водородов в формуле показывает основность, если все эти атомы способны замещаться металлом. Составлять формулу кислоты можно в обратном порядке: сначала записать остаток, затем подобрать число атомов водорода по валентности остатка. Например, остаток SO₄ имеет валентность II, поэтому для уравновешивания нужны два атома водорода и получается H₂SO₄.

Кислоты делят на кислородсодержащие и бескислородные по наличию кислорода в формуле. В H₂SO₄ кислород есть, значит, это кислородсодержащая кислота; в HCl кислорода нет, поэтому кислота бескислородная. Такое деление удобно: оно сразу показывает, какие элементы входят в состав вещества, и помогает различать кислоты при работе с формулами.

Кислоту в растворе распознают индикатором: лакмус окрашивается в красный цвет. В нейтральной среде лакмус фиолетовый, потому что на его окраску влияет состав среды, а не просто присутствие воды. Поэтому одинаковый индикатор помогает отличить кислый раствор от нейтрального, хотя оба раствора могут быть прозрачными.

Металл, стоящий до водорода в ряду активности, может вытеснить водород из кислоты: атомы металла замещают водород, а кислотный остаток соединяется с металлом и образует соль. Отдельно выделяется водород, который записывают как H₂, поскольку его молекула состоит из двух атомов. Металлы после водорода обычно не вытесняют его из кислот, поэтому правило нельзя применять к любому металлу без проверки ряда активности.

Основный оксид при взаимодействии с кислотой даёт соль и воду: металл оксида соединяется с кислотным остатком, а водород кислоты — с кислородом оксида. Основание тоже реагирует с кислотой с образованием соли и воды; гидроксильная группа основания и водород кислоты дают воду. В обоих случаях нужно правильно составить соль по зарядам или валентностям её частей, а затем уравнять число атомов слева и справа.

Состав, распознавание и химические свойства кислот

Сначала по формуле определи кислотный остаток и основность, а затем выбери нужную строку таблицы. Для реакции проверь, подходит ли исходное вещество к указанному типу, и только после этого записывай продукты. В конце уравняй уравнение, не меняя индексы в формулах веществ.

Разбор задач

Задача 1. Определите кислотный остаток и основность кислот HCl и H₂SO₄. Нужно отделить атомы водорода от остальной части каждой формулы, а затем посчитать число замещаемых атомов водорода. Это позволяет не спутать остаток со всей молекулой и сразу определить класс основности.

1. В формуле HCl один атом водорода; оставшаяся часть — Cl. Значит, кислотный остаток — Cl, а кислота одноосновная.

2. В формуле H₂SO₄ два атома водорода; оставшаяся часть — SO₄. Значит, кислотный остаток — SO₄, а кислота двухосновная.

Ответ: HCl: остаток Cl, кислота одноосновная; H₂SO₄: остаток SO₄, кислота двухосновная.

Задача 2. Составьте уравнение реакции магния с соляной кислотой и расставьте коэффициенты. Магний активнее водорода, поэтому он может вытеснить его из кислоты. Сначала нужно записать соль из магния и кислотного остатка Cl, затем добавить водород и уравнять атомы.

1. Применяем схему: металл + кислота → соль + водород. Магний соединяется с хлором; поскольку магний двухвалентен, формула соли — MgCl₂.

2. Записываем Mg + HCl → MgCl₂ + H₂. Справа два атома хлора и два атома водорода, поэтому перед HCl ставим коэффициент 2.

Ответ: Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂. Проверка: с обеих сторон по одному атому Mg, двум H и двум Cl.

Задача 3. Запишите уравнения реакций серной кислоты с оксидом меди(II) и гидроксидом натрия, расставьте коэффициенты. В первом случае кислота реагирует с основным оксидом, во втором — с основанием. В обеих реакциях должны получиться соль и вода, а кислотный остаток SO₄ входит в состав соли.

1. В CuO металл меди соединяется с остатком SO₄, поэтому формула соли — CuSO₄. Записываем H₂SO₄ + CuO → CuSO₄ + H₂O; атомы уже уравнены, коэффициенты равны 1.

2. В реакции с NaOH соль образована натрием и остатком SO₄. Для нейтральной соли нужны два атома натрия, поэтому формула — Na₂SO₄; затем проверяем, что для двух Na нужны две частицы NaOH.

Ответ: H₂SO₄ + CuO → CuSO₄ + H₂O; H₂SO₄ + 2NaOH → Na₂SO₄ + 2H₂O. Во втором уравнении коэффициент 2 перед водой обеспечивает равное число атомов H и O с обеих сторон.

Типичные ошибки

Первая ошибка — считать кислотным остатком всю молекулу или включать в остаток атомы водорода. Так бывает, если не разделить формулу на её части; например, остаток H₂SO₄ — SO₄, а не H₂SO₄. Проверь себя: после отделения остатка число атомов водорода должно соответствовать основности кислоты.

Вторая ошибка — принимать число атомов водорода за основность, не проверив, могут ли они замещаться. Основность относится именно к замещаемым атомам, а не к любому водороду, встречающемуся в сложной формуле. Сверь формулу кислоты и типичные примеры: HCl одноосновная, H₂SO₄ двухосновная.

Третья ошибка — ожидать выделения водорода при реакции любой кислоты с любым металлом. Это правило применимо не ко всем металлам: результат зависит от их положения в ряду активности относительно водорода. Перед записью реакции проверь ряд, а если металл стоит после водорода, не используй схему вытеснения автоматически.

Четвёртая ошибка — записывать при реакции с основанием только соль или неверно составлять её формулу. Её допускают, когда забывают о воде или не учитывают состав кислотного остатка. Проверь, что в продуктах есть соль и вода, затем пересчитай каждый вид атомов по обе стороны уравнения.

Связь с другими темами

Чтобы разбираться в кислотах, нужны знания о химических формулах, валентности и составе бинарных веществ. Валентность помогает составлять формулы кислотных остатков и солей, а умение расставлять коэффициенты — уравнивать реакции. Эти навыки используются дальше при изучении электролитической диссоциации: в растворе кислоты распадаются на ионы. Тема также связана с солями и генетической связью между классами неорганических веществ, где рассматривают взаимные превращения веществ.

Что запомнить

• В состав кислоты входят атомы водорода и кислотный остаток.
• Число замещаемых атомов водорода определяет основность кислоты.
• Кислоты бывают кислородсодержащими и бескислородными.
• В кислой среде лакмус становится красным.
• Активные металлы при взаимодействии с кислотами могут вытеснять водород.
• При реакции кислоты с основным оксидом или основанием образуются соль и вода.