§ 30. Классификация кислот. Особые свойства некоторых кислот

Определения и обозначения

Кислородсодержащие кислоты имеют атомы кислорода в формуле, а бескислородные не имеют. Например, H₂SO₄ и H₃PO₄ относятся к кислородсодержащим, а HCl и H₂S — к бескислородным. Этот признак позволяет разделить кислоты по составу, просто взглянув на формулу.

Основность кислоты — число атомов водорода в её молекуле, которые могут замещаться металлом. По этому признаку кислоты бывают одно-, двух- и трёхосновными: например, HCl — одноосновная, H₂SO₄ — двухосновная, H₃PO₄ — трёхосновная. Основность нужна, чтобы правильно составлять формулы солей и уравнения реакций.

По растворимости в воде кислоты делят на растворимые и нерастворимые. Например, серная кислота растворима, а кремниевая кислота H₂SiO₃ нерастворима. Растворимость показывает, образует ли кислота раствор в воде, и определяется отдельно от состава и основности.

Окислительные свойства кислот — способность принимать электроны у других веществ и тем самым окислять их. Из-за этого некоторые кислоты взаимодействуют с металлами не так, как обычные разбавленные кислоты: вместо водорода могут образоваться другие продукты. Это свойство особенно важно учитывать для концентрированных серной и азотной кислот.

Как это устроено

Чтобы определить наличие кислорода, достаточно проверить формулу на символ O: его присутствие означает, что кислота кислородсодержащая. Так, в H₂SO₄ и H₃PO₄ кислород есть, а в HCl его нет. Состав — самостоятельный признак классификации: из него нельзя автоматически заключить ни о растворимости, ни об основности кислоты.

Основность устанавливают по числу замещаемых атомов водорода. У H₃PO₄ таких атомов три, поэтому кислота трёхосновная; у H₂SO₄ — два, поэтому она двухосновная. Нельзя просто считать все буквы H в формуле любого вещества: нужно убедиться, что речь идёт о кислоте и что её водород способен замещаться металлом. Это число связано с тем, сколько атомов металла может войти в состав соли.

Растворимость кислоты находят в таблице растворимости: нужно отыскать в ней формулу кислоты или соответствующего кислотного остатка и прочитать обозначение. У разных таблиц могут быть свои условные знаки, поэтому сначала смотрят пояснение к таблице. Например, H₂SO₄ растворима в воде, а H₂SiO₃ — нет. Наличие кислорода само по себе не отвечает на вопрос о растворимости: обе приведённые кислоты содержат кислород, но растворяются по-разному.

Разбавленные кислоты обычно реагируют с металлами, стоящими в ряду активности до водорода: металл вытесняет водород из кислоты, и выделяется H₂. Однако концентрированные H₂SO₄ и HNO₃ — окислители: они окисляют металл, а сами превращаются в другие вещества. Поэтому водород обычно не образуется, а продукты зависят от кислоты, концентрации и условий. Например, при нагревании меди с концентрированной серной кислотой получается SO₂, а не H₂.

У концентрированной серной кислоты есть способность отнимать воду у некоторых веществ. Например, при её действии сахар темнеет и обугливается, поскольку кислота удаляет из вещества воду, оставляя углерод. При нагревании концентрированная H₂SO₄ также проявляет сильные окислительные свойства, поэтому её реакции отличаются от реакций разбавленной кислоты. Кислота вызывает ожоги, а её смешивание с водой сопровождается сильным нагреванием: работать с ней можно только по правилам безопасности и под контролем учителя.

Классификация кислот и особенности некоторых из них

В таблице каждый ряд показывает отдельный способ классификации или особое свойство. Чтобы охарактеризовать кислоту полностью, применяйте признаки по очереди: наличие кислорода, основность, затем растворимость. Особые свойства относятся к условиям реакции, особенно к концентрации кислоты и нагреванию.

Разбор задач

1. Классификация по составу и основности

Задача. Распределите HCl, H₂SO₄ и H₃PO₄ по наличию кислорода и по основности. Сначала проверяем состав каждой формулы, затем считаем только замещаемые атомы водорода. Так мы не смешиваем два независимых признака.

1. В HCl символа O нет, значит кислота бескислородная. Один атом H может замещаться металлом, поэтому HCl одноосновная.
2. В H₂SO₄ есть O, значит кислота кислородсодержащая. Два замещаемых атома H делают её двухосновной.
3. В H₃PO₄ также есть O, а три атома H могут замещаться. Это кислородсодержащая трёхосновная кислота.

Ответ: HCl — бескислородная одноосновная кислота; H₂SO₄ — кислородсодержащая двухосновная; H₃PO₄ — кислородсодержащая трёхосновная. Классы по составу и основности указываются отдельно. Поэтому одна кислота одновременно получает характеристику по каждому из этих признаков.

2. Растворимость и основность

Задача. С помощью таблицы растворимости установите, растворимы ли в воде H₂SO₄ и H₂SiO₃, и укажите их основность. Сначала выясняем растворимость по таблице, а затем анализируем число замещаемых атомов водорода. Такой порядок не позволяет спутать растворимость с основностью.

1. По таблице H₂SO₄ растворима в воде. В её формуле два замещаемых атома H, значит кислота двухосновная.
2. H₂SiO₃ по таблице нерастворима в воде. В ней тоже два замещаемых атома H, поэтому она двухосновная.

Ответ: H₂SO₄ — растворимая двухосновная кислота, H₂SiO₃ — нерастворимая двухосновная. Одинаковая основность не означает одинаковую растворимость. Этот пример показывает, почему признаки нужно устанавливать независимо.

3. Реакции цинка и меди

Задача. Сравните ожидаемые продукты взаимодействия цинка с разбавленной серной кислотой и меди с концентрированной серной кислотой. В первом случае применяем обычное правило для металла, стоящего до водорода в ряду активности. Во втором учитываем окислительные свойства концентрированной кислоты и нагревание.

1. Цинк вытесняет водород из разбавленной H₂SO₄. Уравнение: Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂↑.
2. Медь с разбавленной серной кислотой так не реагирует, но горячая концентрированная H₂SO₄ окисляет медь. Уравнение: Cu + 2H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O.
3. Во втором уравнении сера в кислоте восстанавливается до SO₂, а медь окисляется до Cu²⁺. Поэтому водород из кислоты не выделяется.

Ответ: при реакции цинка с разбавленной кислотой образуются ZnSO₄ и H₂, а при реакции меди с горячей концентрированной кислотой — CuSO₄, SO₂ и вода. Концентрация и нагревание меняют характер реакции. Проводить такие опыты самостоятельно нельзя: кислоты опасны, а SO₂ — вредный газ.

Типичные ошибки

Ошибка — определять основность по любому числу атомов H в формуле, не проверяя, замещаются ли они металлом. Её допускают, потому что удобно просто пересчитать индексы у символа водорода. Проверяйте, что считаете именно замещаемые атомы: например, H₃PO₄ — трёхосновная кислота.

Ошибка — считать, что наличие кислорода показывает растворимость кислоты. Эти признаки описывают разные свойства, поэтому кислородсодержащая кислота может быть и растворимой, и нерастворимой. Проверка проста: растворимость выясняют по таблице, а наличие кислорода — по формуле.

Ошибка — ожидать выделения водорода при реакции любого металла с любой кислотой. Такое ожидание возникает из-за изучения типичной реакции металла с разбавленной кислотой, но концентрированные HNO₃ и H₂SO₄ ведут себя иначе. Сверяйте условия и продукты: для концентрированных кислот водород обычно не является продуктом реакции.

Ошибка — переносить свойства концентрированной серной кислоты на разбавленную или обращаться с ней без осторожности. Это смешивают, поскольку в обоих случаях вещество называется серной кислотой, хотя концентрация влияет на ход реакций. Проверяйте, указана ли кислота как концентрированная и требуется ли нагревание; любые опыты выполняют только с соблюдением правил безопасности.

Связь с другими темами

Чтобы разбираться в классификации кислот, нужно знать, из каких частиц состоят кислоты, уметь записывать их формулы и определять валентность кислотного остатка. Эти знания помогают понимать, какие атомы водорода могут замещаться металлом. Классификация пригодится при изучении химических свойств кислот, составлении уравнений и прогнозировании продуктов реакций. Например, по ней можно учесть, что при взаимодействии металла с концентрированной кислотой продукты отличаются от реакции с разбавленной.

Что запомнить

• Кислоты классифицируют по составу, основности и растворимости.
• Кислородсодержащие кислоты имеют атомы кислорода в формуле, бескислородные — не имеют.
• Основность показывает число замещаемых атомов водорода в молекуле кислоты.
• Растворимость кислоты определяют по таблице растворимости.
• Концентрированные азотная и серная кислоты проявляют окислительные свойства.
• Концентрированная серная кислота может отнимать воду у некоторых веществ.
• При работе с кислотами необходимо соблюдать правила безопасности.