§ 55. Хлороводород, соляная кислота и их свойства

Определения и обозначения

Хлороводород — газообразное соединение водорода и хлора состава HCl. При обычных условиях он бесцветен, имеет резкий запах и очень хорошо растворяется в воде. Знание его формулы помогает отличать газ от раствора, который называют соляной кислотой.

Соляная кислота — водный раствор хлороводорода. Чистое вещество HCl состоит из молекул, а в растворе присутствуют образовавшиеся из них ионы. Это различие нужно учитывать, объясняя, почему раствор меняет индикаторы и вступает в типичные реакции кислот.

Хлорид-ионы — отрицательно заряженные ионы Cl⁻, которые появляются при диссоциации хлороводорода в воде. Диссоциацией называют распад вещества на ионы при растворении. Наличие Cl⁻ можно проверять независимо от того, каким веществом эти ионы были внесены в раствор.

Качественная реакция на хлорид-ионы — взаимодействие раствора, содержащего Cl⁻, с нитратом серебра AgNO₃. В результате образуется белый осадок хлорида серебра AgCl. Такая реакция позволяет распознать хлорид-ионы по характерному видимому признаку.

Как это устроено

Хлороводород образуется при соединении простых веществ — водорода и хлора. Их молекулы H₂ и Cl₂ состоят из двух атомов, поэтому в уравнении нужно сохранить одинаковое число атомов каждого элемента слева и справа. Получаем H₂ + Cl₂ → 2HCl: из одной молекулы каждого газа возникают две молекулы хлороводорода.

Молекула HCl полярная: электронная плотность смещена к атому хлора, поэтому части молекулы несут частичные заряды. Полярные молекулы воды притягиваются к этим участкам и ослабляют связь между атомами водорода и хлора. В итоге в растворе появляются ионы H⁺ и Cl⁻, а наличие ионов H⁺ объясняет кислотные свойства раствора.

Хлороводород — бесцветный газ с резким запахом, который хорошо растворяется в воде; пары могут раздражать дыхательные пути. Соляная кислота — бесцветная жидкость с резким запахом, потому что из раствора может выделяться растворённый газ. Работать с ними нужно осторожно: не вдыхать пары, не пробовать вещества, избегать попадания кислоты на кожу и выполнять опыты по правилам безопасности.

Соляная кислота проявляет общие свойства кислот. С активным металлом, например цинком, она образует соль и водород: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂; реакция возможна, если металл стоит в ряду активности до водорода. С основным оксидом и основанием образуются соль и вода: MgO + 2HCl → MgCl₂ + H₂O; HCl + NaOH → NaCl + H₂O. При реакции с карбонатом выделяется углекислый газ: CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂.

Кислотность раствора проверяют индикаторами: например, синий лакмус в кислоте краснеет. Но индикатор показывает кислую среду, а не именно HCl. Чтобы обнаружить хлорид-ионы, к пробе добавляют раствор нитрата серебра: Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓. Белый осадок подтверждает присутствие Cl⁻, но сам по себе не доказывает, что в пробирке именно соляная кислота.

Сравнение хлороводорода и соляной кислоты

Сначала сравнивайте форму существования веществ: газ HCl и его водный раствор — не одно и то же. Затем по строкам проверяйте, какие свойства связаны именно с наличием воды и ионов. Таблица также помогает выбрать подходящий способ распознавания вещества: индикатор проверяет кислотность, а AgNO₃ — хлорид-ионы.

Разбор задач

1. Реакции соляной кислоты

Запишите уравнения реакций соляной кислоты с оксидом магния и нитратом серебра. В первом случае основный оксид взаимодействует с кислотой, а во втором нужно обнаружить хлорид-ионы. Составим продукты и проверим, что число атомов каждого элемента сохраняется.

1. Для MgO и HCl продуктами будут соль MgCl₂ и вода H₂O. Чтобы получить два атома хлора в соли, ставим коэффициент 2 перед HCl: MgO + 2HCl → MgCl₂ + H₂O.
2. Нитрат серебра AgNO₃ с соляной кислотой образует осадок AgCl и азотную кислоту HNO₃. Уравнение уже сбалансировано: HCl + AgNO₃ → AgCl↓ + HNO₃.

Ответ: MgO + 2HCl → MgCl₂ + H₂O; HCl + AgNO₃ → AgCl↓ + HNO₃. В первом уравнении происходит реакция кислоты с основным оксидом, во втором белый осадок показывает наличие хлорид-ионов.

2. Объём водорода

Какой объём водорода при нормальных условиях выделится при взаимодействии 7,3 г HCl с избытком цинка? Запишем уравнение: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂. Цинк взят в избытке, поэтому количество водорода определяет HCl.

1. Находим количество HCl: M(HCl) = 1 + 35,5 = 36,5 г/моль; n(HCl) = 7,3 / 36,5 = 0,2 моль.
2. По уравнению из двух молей HCl получается один моль H₂. Значит, n(H₂) = 0,2 / 2 = 0,1 моль.
3. При нормальных условиях молярный объём газа равен 22,4 л/моль. Тогда V(H₂) = 0,1 × 22,4 = 2,24 л.

Ответ: выделится 2,24 л водорода. Проверка соотношения по уравнению важна: количество H₂ вдвое меньше количества HCl, а не равно ему.

3. Распознавание растворов

В трёх пробирках находятся HCl, NaCl и NaOH. Нужно определить каждое вещество, не смешивая пробы. Сначала разделим растворы по кислотным и щелочным свойствам, затем подтвердим, где есть хлорид-ионы.

1. Добавляем к отдельным пробам индикатор, например лакмус. В растворе HCl он краснеет, в NaOH синеет, а в нейтральном растворе NaCl окраска не меняется.
2. Чтобы подтвердить хлорид-ионы в двух оставшихся растворах, добавляем AgNO₃ к отдельным порциям HCl и NaCl. В обоих случаях появляется белый осадок AgCl, потому что оба раствора содержат Cl⁻.
3. Сопоставляем признаки: кислый раствор с осадком — HCl, нейтральный раствор с осадком — NaCl, щелочной раствор — NaOH.

Ответ: индикатор сразу выявляет HCl и NaOH, а оставшаяся проба — NaCl; AgNO₃ подтверждает наличие хлорид-ионов в растворах HCl и NaCl. Один лишь осадок AgCl не различает эти два раствора, поэтому результаты опытов нужно рассматривать вместе.

Типичные ошибки

Ошибка: считать хлороводород и соляную кислоту одним веществом. Так происходит, потому что у них одна формула HCl, но не учитывается состояние вещества и наличие воды. Проверьте себя вопросом: речь идёт о газе из молекул или о водном растворе с ионами?

Ошибка: записывать формулу соляной кислоты как H⁺ или Cl⁻. Эти обозначения относятся к отдельным ионам, а HCl — формула хлороводорода; кислота представляет собой его водный раствор. Чтобы проверить запись, уточните, обозначаете ли вы вещество целиком или частицу в растворе.

Ошибка: утверждать, что кислота реагирует с любым металлом. Это неверно: водород выделяется при взаимодействии с металлами, стоящими в ряду активности до водорода. Перед записью уравнения проверьте положение металла в ряду и убедитесь, что продукты реакции соответствуют этому правилу.

Ошибка: принимать белый осадок AgCl за доказательство кислотности. Нитрат серебра обнаруживает Cl⁻, который есть и в растворе NaCl, а не ионы H⁺. Для проверки кислотной среды используйте индикатор, а для выявления хлорид-ионов — AgNO₃; эти опыты отвечают на разные вопросы.

Связь с другими темами

Чтобы понять образование HCl, нужно знать строение атомов, ковалентную связь и формулы простых веществ H₂ и Cl₂. При разборе раствора пригодятся знания об ионах и электролитической диссоциации. Уравнения реакций связывают тему с уже изученными реакциями кислот с металлами, оксидами, основаниями и карбонатами.

Эти знания понадобятся при изучении солей и качественного анализа веществ: осадок AgCl служит признаком хлорид-ионов. Расчёт объёма водорода показывает, как применять уравнение реакции и молярный объём газа. Поэтому тема объединяет свойства веществ, ионные процессы и вычисления по химическим уравнениям.

Что запомнить

• Хлороводород имеет формулу HCl и в обычных условиях является газом.
• Соляная кислота — водный раствор хлороводорода.
• В воде HCl распадается на ионы H⁺ и Cl⁻.
• Соляная кислота изменяет окраску индикаторов и проявляет общие свойства кислот.
• При реакции с активными металлами образуются соль и водород.
• При реакции с карбонатами выделяется углекислый газ.
• Хлорид-ионы обнаруживают раствором AgNO₃ по белому осадку AgCl.