§ 28. Кислоты и основания. Индикаторы

Определения и обозначения

Кислоты — сложные вещества, состоящие из атомов водорода и кислотного остатка. Кислотный остаток — часть формулы, остающаяся после отделения атомов водорода: в HCl это Cl, а в H₂SO₄ — SO₄. По числу атомов водорода можно судить о составе кислоты и правильно составлять формулы солей.

Основания — сложные вещества, состоящие из атома металла и одной или нескольких гидроксильных групп OH. Например, NaOH содержит одну такую группу, а Cu(OH)₂ — две. Формула показывает, сколько гидроксильных групп входит в состав вещества.

Щёлочи — это основания, растворимые в воде. К ним относятся, например, NaOH и KOH. Не все основания растворяются: Cu(OH)₂ в воде практически не растворяется, поэтому его называют нерастворимым основанием, а не щёлочью.

Индикаторы — вещества, изменяющие окраску в растворах с разной средой. В школе чаще всего используют лакмус, метилоранж и фенолфталеин. С их помощью можно отличить кислую среду от щелочной, даже если исходный раствор бесцветен.

Как это устроено

Формулы кислот и оснований различаются составом и расположением частиц. В кислоте в начале формулы обычно стоят атомы водорода, а за ними — кислотный остаток: H₂SO₄ содержит два атома водорода. В основании сначала записывают металл, затем группу OH; индекс за скобками показывает число таких групп. Например, в Fe(OH)₃ три группы OH, а в KOH — одна.

Кислоты проявляют общие свойства в водных растворах потому, что при растворении образуют ионы водорода. Именно эти частицы участвуют в характерных для кислот взаимодействиях, поэтому разные кислоты могут сходно менять цвет индикаторов. Состав кислотных остатков у них при этом различается. По одной только букве H нельзя определить, что вещество является кислотой: важны и весь состав формулы, и свойства вещества в растворе.

Растворимые основания называют щёлочами, поскольку при растворении их частицы распределяются в воде и образуют раствор. Растворимость конкретного основания проверяют по таблице растворимости, а не определяют только по наличию группы OH. Если основание не растворяется, вода с твёрдыми частицами образует неоднородную смесь — суспензию, а не прозрачный раствор щёлочи. Поэтому понятия «основание» и «щёлочь» не равнозначны: щёлочи составляют часть класса оснований.

Индикатор меняет окраску, потому что его частицы по-разному ведут себя в кислой и щелочной среде. Изменение их состояния влияет на то, какой цвет мы видим. В нейтральной среде окраска некоторых индикаторов отличается от обеих крайних; например, лакмус становится фиолетовым, а метилоранж — оранжевым. У каждого индикатора своя цветовая шкала, поэтому цвет нужно сверять именно с его таблицей.

Кислота и основание реагируют друг с другом с образованием соли и воды. При реакции водород кислоты соединяется с гидроксильной группой OH основания: вместе они дают H₂O. Части кислотного остатка и металла образуют соль. Так протекает нейтрализация — реакция, в которой кислота взаимодействует с основанием и свойства исходных веществ изменяются.

Сравнение кислот и оснований и действие индикаторов

Сначала определите класс вещества по формуле, а затем уточните, растворимо ли основание в воде. Для определения среды выбирайте строку с нужным индикатором и сопоставляйте наблюдаемый цвет. В нейтральной среде цвета могут быть другими, поэтому таблица не означает, что раствор обязательно кислый или щелочной.

Разбор задач

Задача 1. Распределите вещества HCl, H₂SO₄, NaOH, Cu(OH)₂ и KOH на кислоты, щёлочи и нерастворимые основания.

1. Найдём вещества, в формулах которых есть атомы водорода перед кислотным остатком: HCl и H₂SO₄. Это кислоты; у H₂SO₄ два атома водорода, поскольку у H стоит индекс 2.

2. У трёх оставшихся веществ формула содержит металл и группу OH, следовательно, это основания. Проверим растворимость этих оснований по таблице растворимости, потому что одной формулы недостаточно, чтобы назвать любое основание щёлочью.

3. NaOH и KOH растворимы в воде, поэтому это щёлочи. Cu(OH)₂ нерастворим в воде и относится к нерастворимым основаниям.

Ответ: кислоты — HCl и H₂SO₄; щёлочи — NaOH и KOH; нерастворимое основание — Cu(OH)₂.

Задача 2. Какую окраску приобретут лакмус, метилоранж и фенолфталеин в растворах HCl и NaOH?

1. По составу формулы определим, что HCl — кислота, а NaOH — растворимое основание, то есть щёлочь. Значит, для HCl используем столбец кислой среды, а для NaOH — столбец щелочной среды.

2. Для раствора HCl берём данные об индикаторах в кислоте: лакмус становится красным, метилоранж — красным, фенолфталеин остаётся бесцветным. Цвет самого раствора HCl здесь не определяет ответ — важна реакция индикатора.

3. Для раствора NaOH сверяемся с данными для щёлочи: лакмус становится синим, метилоранж — жёлтым, фенолфталеин приобретает малиновую окраску. Так каждый индикатор даёт свою цветовую подсказку.

Ответ: в HCl лакмус и метилоранж красные, фенолфталеин бесцветный; в NaOH лакмус синий, метилоранж жёлтый, фенолфталеин малиновый.

Задача 3. Составьте уравнение реакции между растворами H₂SO₄ и NaOH и определите продукты реакции.

1. H₂SO₄ — кислота, NaOH — щёлочь, поэтому ожидается нейтрализация. Сначала запишем общую схему: кислота + основание → соль + вода.

2. Соль составляем из металла Na и кислотного остатка SO₄. Формула соли — Na₂SO₄, потому что заряд остатка SO₄ требует двух атомов натрия; вторым продуктом будет H₂O.

3. Запишем схему H₂SO₄ + NaOH → Na₂SO₄ + H₂O и расставим коэффициенты. Для двух атомов Na в соли ставим 2 перед NaOH; тогда группы OH и атомы H позволяют поставить 2 перед H₂O.

Ответ: H₂SO₄ + 2NaOH → Na₂SO₄ + 2H₂O. Продукты реакции — сульфат натрия и вода.

Типичные ошибки

Ошибка: считать любое основание щёлочью. Её допускают, потому что оба названия относятся к одному классу веществ, но щёлочи — только растворимые в воде основания. Проверяйте растворимость по таблице: например, Cu(OH)₂ — основание, но не щёлочь.

Ошибка: путать цвета индикаторов в кислоте и щёлочи. Это происходит, если запомнить только один цвет, не связав его с конкретным индикатором и средой. Проверяйте себя по отдельной строке таблицы для лакмуса, метилоранжа или фенолфталеина.

Ошибка: называть кислотой любое вещество, в формуле которого есть водород. Водород входит в состав многих веществ, но кислота должна состоять из атомов водорода и кислотного остатка и проявлять кислотные свойства в растворе. Чтобы проверить ответ, рассмотрите формулу целиком, а не ищите в ней один символ H.

Ошибка: записывать при нейтрализации только соль и забывать воду. Это случается, если сосредоточиться на составлении соли из металла и кислотного остатка. Проверьте, куда направляются атомы водорода кислоты и группы OH основания: они образуют воду, поэтому в продуктах должны быть и соль, и вода.

Связь с другими темами

Для работы с кислотами и основаниями нужны знания о составе сложных веществ, чтении химических формул, валентности и составлении уравнений реакций. Эти умения пригодятся при изучении реакций обмена и солей, а также свойств веществ с кислой и щелочной средой. Индикаторы используют в лабораторных опытах и химическом анализе, чтобы определять среду раствора. Они помогают объяснить и кислотность бытовых растворов.

Что запомнить

• Кислоты содержат атомы водорода и кислотный остаток.
• Основания содержат атом металла и гидроксильные группы.
• Растворимые основания называют щёлочами.
• Кислоты и основания изменяют окраску индикаторов по-разному.
• Лакмус в кислоте красный, а в щёлочи синий.
• Фенолфталеин в щелочной среде становится малиновым.
• При нейтрализации кислоты основанием образуются соль и вода.