§ 17. Хлороводород. Соляная кислота

Определения и обозначения

Хлороводород — бесцветное газообразное соединение водорода с хлором, формула которого HCl. В молекуле один атом водорода связан с одним атомом хлора общей электронной парой. Формула помогает отличать это вещество от раствора кислоты, в который оно превращается при растворении в воде.

Соляная кислота — водный раствор хлороводорода. В нём HCl взаимодействует с молекулами воды, поэтому свойства раствора определяются не только составом исходного газа, но и присутствием ионов. Различие между газом и раствором важно учитывать, когда записывают реакции и наблюдают свойства вещества.

Хлорид-ион — отрицательно заряженный ион Cl⁻, который образуется при переходе HCl в водный раствор. Знак «−» показывает, что ион получил один электрон по сравнению с нейтральным атомом хлора. Именно Cl⁻ участвует в реакциях распознавания хлоридов, например с ионами серебра.

Хлориды — соли, содержащие хлорид-ионы Cl⁻. К ним относятся, например, хлорид натрия NaCl и хлорид кальция CaCl₂. Понятие нужно, чтобы узнавать вещества с общим анионом и понимать, почему их растворы дают сходную качественную реакцию с нитратом серебра.

Как это устроено

В молекуле HCl связь ковалентная полярная: атомы совместно используют электронную пару, но притягивают её неодинаково. Электроотрицательность — способность атома притягивать общие электроны; у хлора она больше, чем у водорода. Поэтому электронная плотность смещена к Cl, на котором появляется частичный отрицательный заряд, а у H — частичный положительный. Разделение зарядов делает молекулу полярной.

Хлороводород можно получить соединением простых веществ — водорода и хлора. Уравнение H₂ + Cl₂ → 2HCl показывает, что из одной молекулы водорода и одной молекулы хлора образуются две молекулы HCl; коэффициенты нужны для равенства числа атомов. В лаборатории газ также получают действием концентрированной серной кислоты на хлорид натрия: NaCl + H₂SO₄ → NaHSO₄ + HCl↑. Летучий HCl выделяется из смеси в виде газа.

HCl очень хорошо растворяется в воде, потому что полярные молекулы воды притягиваются к полярным молекулам газа. При взаимодействии молекула воды принимает от HCl протон, то есть частицу H⁺, и превращается в H₃O⁺ — ион гидроксония; одновременно образуется Cl⁻. Уравнение процесса: HCl + H₂O → H₃O⁺ + Cl⁻. Ионы, а не молекулы газа, определяют многие свойства водного раствора.

Соляная кислота проявляет общие свойства кислот. С активным металлом, стоящим в ряду активности до водорода, она образует соль и выделяет H₂; с основным оксидом или основанием обычно образует соль и воду. Например, CuO + 2HCl → CuCl₂ + H₂O, а HCl + NaOH → NaCl + H₂O. С солями кислота реагирует, если в результате образуется газ, осадок или слабый электролит, например вода; поэтому не всякое смешивание растворов солей и кислоты приводит к реакции.

Хлорид-ионы обнаруживают раствором нитрата серебра. Ионы Ag⁺ соединяются с Cl⁻, образуя AgCl, который плохо растворяется в воде и выпадает в виде белого осадка. Сокращённое ионное уравнение Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓ показывает только частицы, непосредственно участвующие в процессе. Осадок служит качественным признаком Cl⁻ при проведении этой реакции.

Хлороводород и соляная кислота: состав, свойства и реакции

Сравнивайте столбцы, чтобы не смешивать чистый газ и его водный раствор: в воде возникают ионы и меняются наблюдаемые свойства. Строки помогают сопоставить состав, физическое состояние и химическое поведение. Для качественной реакции ключевым является наличие Cl⁻, а не то, из какого вещества он попал в раствор.

Разбор задач

Задача: запишите уравнение реакции водорода с хлором и укажите формулу образующегося вещества. Здесь нужно вспомнить, что простые вещества водород и хлор существуют в виде двухатомных молекул H₂ и Cl₂. Продукт их соединения — хлороводород HCl. После записи формулы продукта остаётся проверить и уравнять число атомов каждого элемента.

1. Запишем схему: H₂ + Cl₂ → HCl. Слева два атома H и два атома Cl, справа пока по одному атому каждого элемента.

2. Поставим коэффициент 2 перед HCl: H₂ + Cl₂ → 2HCl. Теперь по обе стороны уравнения два атома водорода и два атома хлора.

Ответ: H₂ + Cl₂ → 2HCl; образуется хлороводород, формула HCl. Коэффициент ставят перед формулой, не меняя индексы внутри вещества. Так сохраняется состав молекулы продукта и выполняется закон сохранения атомов.

Задача: запишите уравнения реакций соляной кислоты с магнием и оксидом меди(II), назовите продукты. Сначала определим тип каждого вещества: магний — металл, расположенный до водорода в ряду активности, а CuO — основной оксид. Поэтому в первом случае ожидаются соль и водород, во втором — соль и вода. В обоих продуктах соль содержит хлорид-ионы.

1. Для магния составим схему Mg + HCl → MgCl₂ + H₂. В MgCl₂ два атома хлора, поэтому перед HCl ставим 2: Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂. Получаются хлорид магния и водород.

2. Для оксида меди(II) составим схему CuO + HCl → CuCl₂ + H₂O. Чтобы получить CuCl₂, нужны два атома хлора, значит, ставим 2 перед HCl: CuO + 2HCl → CuCl₂ + H₂O. Продукты — хлорид меди(II) и вода.

Ответ: Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂↑; CuO + 2HCl → CuCl₂ + H₂O. В первом уравнении водород выделяется, потому что магний активнее водорода. Во втором уравнении атомы кислорода и водорода образуют воду, а медь переходит в состав соли.

Задача: к раствору, содержащему NaCl, добавили раствор AgNO₃. Нужно записать сокращённое ионное уравнение и объяснить наблюдение. В водном растворе соли распадаются на ионы: присутствуют Na⁺, Cl⁻, Ag⁺ и NO₃⁻. Из них непосредственно соединяются Ag⁺ и Cl⁻, так как образующийся AgCl малорастворим в воде.

1. Запишем молекулярное уравнение: NaCl + AgNO₃ → AgCl↓ + NaNO₃. По растворимости видно, что AgCl выпадает в осадок, а NaNO₃ остаётся в растворе.

2. Уберём ионы, которые не меняются в ходе реакции, — Na⁺ и NO₃⁻. Оставшиеся частицы дают сокращённое ионное уравнение Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓.

Ответ: Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓; появляется белый осадок хлорида серебра. Осадок подтверждает присутствие хлорид-ионов в данных условиях. Чтобы сделать вывод, нужно учитывать, что к пробе добавили именно раствор нитрата серебра.

Типичные ошибки

Хлороводород и соляную кислоту иногда считают одним и тем же состоянием вещества, потому что оба вещества обозначают формулой HCl. Но HCl — газообразное соединение, а соляная кислота — его водный раствор. Проверьте себя: если в условии говорится о растворе или водной среде, учитывайте присутствие воды и ионов.

Ещё одна ошибка — записывать диссоциацию HCl как распад молекулы на атомы водорода и хлора. В воде формируются ионы H₃O⁺ и Cl⁻, поскольку протон переходит от молекулы HCl к молекуле воды. Самопроверка проста: в записи процесса должны быть ионы с зарядами, а атомы не должны появляться как продукты диссоциации.

Нельзя утверждать, что любая кислота выделяет водород при реакции с любым металлом. Водород из соляной кислоты вытесняют металлы, расположенные до него в ряду активности; например, магний реагирует, а медь — нет. Перед составлением уравнения проверьте положение металла в ряду, а затем определите, возможна ли такая реакция.

Белый осадок сам по себе не доказывает наличие хлорид-ионов: осадки могут иметь разные составы. В качественной пробе важны добавление нитрата серебра и образование AgCl по уравнению Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓. Сверьте реактив и частицы в уравнении, прежде чем делать вывод о результате анализа.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома: они помогают объяснить состав молекулы HCl и заряд ионов. Представление о ковалентной полярной связи объясняет смещение электронной плотности, а электролитическая диссоциация — появление ионов в воде. Общие свойства кислот позволяют предсказывать продукты реакций соляной кислоты.

Дальше эти знания пригодятся при изучении ионного обмена: нужно определять, образуется ли осадок, газ или вода. Реакция с Ag⁺ — пример качественного анализа анионов, то есть распознавания отрицательно заряженных ионов. Уравнения взаимодействия кислоты с основаниями и оксидами также помогают понимать получение солей.

Что запомнить

• Формула хлороводорода — HCl.
• Соляная кислота — водный раствор хлороводорода.
• В воде HCl образует ионы H₃O⁺ и Cl⁻.
• Соляная кислота реагирует с рядом металлов, основными оксидами и основаниями.
• При реакции хлорид-ионов с Ag⁺ образуется белый осадок AgCl.
• Хлороводород можно получить прямым соединением водорода с хлором.