§ 45. Химические свойства кислот

Определения и обозначения

Кислота — сложное вещество, состоящее из атомов водорода и кислотного остатка. Примеры формул: HCl — соляная кислота, H₂SO₄ — серная кислота, HNO₃ — азотная кислота. Кислотный остаток — часть молекулы, остающаяся после отделения атомов водорода. Понимание состава кислоты помогает правильно составлять формулы солей и уравнения реакций.

Индикатор — вещество, которое меняет окраску в кислой или щелочной среде. Лакмус в кислоте становится красным, метилоранж — красным, а фенолфталеин — бесцветным. В нейтральной среде окраска может быть иной, поэтому важно знать цвет каждого индикатора. Это позволяет определять среду раствора без сложных приборов.

Реакция замещения — реакция, в которой атомы простого вещества замещают атомы другого элемента в сложном веществе. При взаимодействии подходящего металла с кислотой атомы металла замещают атомы водорода кислоты. В результате образуются соль и водород. Это понятие помогает отличить такую реакцию от нейтрализации.

Нейтрализация — реакция кислоты с основанием, в результате которой образуются соль и вода. Например, при реакции соляной кислоты с гидроксидом натрия получается хлорид натрия и вода: HCl + NaOH → NaCl + H₂O. Кислые и основные свойства веществ при этом взаимно ослабляются. Нейтрализацию используют, чтобы объяснять получение солей и изменение среды раствора.

Как это устроено

Растворы кислот изменяют окраску индикаторов, потому что в воде кислоты образуют частицы, способные взаимодействовать с веществом индикатора. У разных индикаторов строение и свойства различаются, поэтому они реагируют на кислую среду неодинаково. По красному лакмусу или метилоранжу можно распознать кислую среду, а бесцветный фенолфталеин сам по себе кислоту не отличает от нейтрального раствора. Для вывода учитывают именно сочетание «индикатор — его цвет».

Кислота взаимодействует не с каждым металлом: обычно подходят металлы, стоящие в ряду активности до водорода. Они легче отдают электроны, чем водород, и вытесняют его из раствора кислоты; атомы водорода затем соединяются в молекулы H₂. Металлы, расположенные после водорода, например медь, с разбавленной соляной кислотой обычно не реагируют. Правило имеет исключения: концентрированные азотная и серная кислоты обладают особыми окислительными свойствами, поэтому для них нельзя автоматически применять обычную схему.

Общая схема реакции подходящего металла с разбавленной кислотой: металл + кислота → соль + водород. Чтобы определить продукты, нужно оставить кислотный остаток и соединить его с металлом, соблюдая их валентности, то есть способность образовывать определённое число связей. Затем отдельно записывают H₂ и уравнивают число атомов слева и справа коэффициентами. Например, цинк с HCl даёт ZnCl₂ и H₂, а коэффициент 2 перед HCl обеспечивает равенство атомов.

Основные оксиды и основания содержат части, способные связывать кислотные свойства раствора. Поэтому при их взаимодействии с кислотой образуются соль и вода, а не водород: кислотный остаток соединяется с металлом оксида или основания. Например, оксид меди(II) реагирует с серной кислотой с образованием сульфата меди(II) и воды. При реакции основания с кислотой образование воды связано с взаимодействием частиц, отвечающих за кислотные и основные свойства; такую реакцию называют нейтрализацией.

Кислота может обмениваться частями с солью, образуя новую кислоту и новую соль. Однако обмен обычно идёт до конца, если один из продуктов удаляется из раствора: выпадает в осадок, выделяется как газ или образует слабый электролит, например воду. Так, при действии серной кислоты на карбонат натрия образуются углекислый газ и вода, что помогает реакции продолжаться. Если все возможные продукты остаются растворимыми и не превращаются в газ или слабый электролит, обмен не имеет такого движущего условия.

Химические свойства кислот

В таблице собраны типичные свойства кислот и признаки, по которым можно узнать реакцию. Примеры показывают общий ход превращений, но для реакции с металлом нужно учитывать его положение в ряду активности и особенности кислоты. Пользуйся схемой так: определи класс второго вещества, предположи продукты, а затем проверь условия и уравняй реакцию.

Разбор задач

Задача 1. Определить, как изменится окраска лакмуса, метилоранжа и фенолфталеина в растворе соляной кислоты. Нужно установить, какая среда создаётся раствором, а затем отдельно применить правило для каждого индикатора. Не следует считать, что все индикаторы окрашиваются одинаково: их цвета различаются. Признак среды показывает именно сочетание индикатора и его новой окраски.

1. Соляная кислота создаёт кислую среду.
2. В кислой среде лакмус становится красным, метилоранж тоже становится красным.
3. Фенолфталеин в кислой среде остаётся бесцветным.

Ответ: лакмус и метилоранж красные, фенолфталеин бесцветный.

Задача 2. Составить и уравнять реакцию цинка с соляной кислотой. Цинк стоит в ряду активности до водорода, поэтому для него применима схема реакции металла с разбавленной кислотой. Сначала определяем продукты, затем проверяем число атомов каждого элемента. Стрелка вверх указывает на газ, который выделяется.

1. Записываем общую схему: металл + кислота → соль + водород.
2. Цинк образует с хлорид-ионами соль ZnCl₂; вторым продуктом будет H₂. Получаем Zn + HCl → ZnCl₂ + H₂.
3. Справа два атома хлора, поэтому ставим 2 перед HCl. Теперь слева два атома водорода, как и в молекуле H₂ справа.

Ответ: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑. Выделяется водород.

Задача 3. Составить уравнения реакций серной кислоты с гидроксидом натрия, оксидом меди(II) и карбонатом натрия. Здесь нужно распознать три разных типа взаимодействия, не подменяя продукты одной схемой. Сначала образуем правильные формулы солей, затем добавим воду или газ, если они возникают. В последнем уравнении газ и вода объясняют, почему обмен с карбонатом протекает до конца.

1. Основание NaOH нейтрализует кислоту: H₂SO₄ + NaOH → Na₂SO₄ + H₂O. В соли два атома натрия, поэтому ставим 2 перед NaOH; затем уравниваем воду: H₂SO₄ + 2NaOH → Na₂SO₄ + 2H₂O.
2. Основный оксид CuO даёт соль CuSO₄ и воду: H₂SO₄ + CuO → CuSO₄ + H₂O. Число атомов каждого элемента уже одинаково с обеих сторон.
3. Карбонат натрия с кислотой образует сульфат натрия, углекислый газ и воду: H₂SO₄ + Na₂CO₃ → Na₂SO₄ + CO₂↑ + H₂O. Проверка показывает, что уравнение уже уравнено.

Ответ: H₂SO₄ + 2NaOH → Na₂SO₄ + 2H₂O; H₂SO₄ + CuO → CuSO₄ + H₂O; H₂SO₄ + Na₂CO₃ → Na₂SO₄ + CO₂↑ + H₂O.

Типичные ошибки

Считают, что любая кислота реагирует с любым металлом. Обычно разбавленные кислоты вытесняют водород только металлы, расположенные до него в ряду активности; для концентрированных азотной и серной кислот есть особенности. Ошибку допускают, если запоминают одну схему без условий её применения. Перед записью реакции проверь положение металла и вид кислоты.

Записывают водород среди продуктов реакции кислоты с оксидом или основанием. Это происходит, когда общую схему реакции с металлом переносят на все случаи. С основным оксидом и основанием кислота образует соль и воду. Проверь, какой класс вещества дан в условии: H₂ появляется в типичной реакции с подходящим металлом.

Неверно определяют формулу соли и индексы в ней. Например, путают число атомов металла и кислотного остатка, потому что не учитывают их валентности. Сначала составь формулу соли по валентностям, затем расставляй коэффициенты перед формулами: коэффициент меняет число частиц, а индекс — состав вещества. В конце проверь число атомов каждого элемента с обеих сторон.

Путают окраску индикатора с признаком химической реакции. Изменение цвета помогает установить кислую среду, но не всегда свидетельствует о реакции двух веществ, в которой образуются новые продукты. Выделение газа или образование осадка — заметные признаки химического превращения. Уточни, что именно происходит в опыте: определяется среда или взаимодействуют вещества.

Связь с другими темами

Чтобы разбирать свойства кислот, нужно знать состав и названия кислот, оснований, оксидов и солей, а также уметь составлять формулы веществ. Для записи реакций понадобятся навыки расстановки коэффициентов и знания о ряде активности металлов. Эта тема пригодится при изучении ионного обмена, получения солей и нейтрализации. Она также помогает понять, как определяют кислотность растворов с помощью индикаторов.

Что запомнить

• Кислоты изменяют окраску индикаторов.
• Кислоты реагируют с некоторыми металлами с образованием соли и водорода.
• Кислота и основной оксид образуют соль и воду.
• При нейтрализации кислоты основанием образуются соль и вода.
• Кислоты могут реагировать с солями, если образуется осадок, газ или слабый электролит.
• Уравнения реакций кислот нужно составлять с учётом формул продуктов и закона сохранения атомов.