16. Хлороводород и соляная кислота

Определения и обозначения

Хлороводород — соединение водорода и хлора состава HCl. При обычных условиях это бесцветный газ с резким удушливым запахом, который дымит во влажном воздухе. Формула HCl показывает соотношение атомов в молекуле и помогает составлять уравнения реакций.

Соляная кислота — водный раствор хлороводорода. В растворе молекулы HCl взаимодействуют с водой и образуют ионы, поэтому раствор проявляет свойства кислоты, которых нельзя приписывать сухому газу. Обозначают такой раствор как HCl(водн.) или раствором HCl.

Хлорид-ионы — отрицательно заряженные ионы Cl⁻, появляющиеся при растворении хлороводорода в воде. Они сохраняются в растворе и участвуют, например, в реакции с ионами серебра. По этой реакции можно обнаружить хлориды даже тогда, когда исходное вещество неизвестно.

Качественная реакция на хлорид-ионы — взаимодействие исследуемого раствора с нитратом серебра. Если в растворе есть Cl⁻, выпадает белый осадок хлорида серебра: Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓. Такая реакция отвечает на вопрос о наличии определённого иона, а не о присутствии молекул газообразного HCl.

Как это устроено

В молекуле HCl атомы водорода и хлора соединены общей электронной парой. Хлор электроотрицательнее водорода, поэтому сильнее притягивает эту пару к себе: у хлора возникает частичный отрицательный заряд, а у водорода — частичный положительный. Такая связь называется ковалентной полярной, а полярность объясняет взаимодействие HCl с водой.

Хлороводород можно получить непосредственным соединением простых веществ: H₂ + Cl₂ → 2HCl. Реакция сопровождается выделением энергии и на свету может протекать очень быстро, поэтому смесь водорода и хлора требует осторожности. В лаборатории HCl получают действием концентрированной серной кислоты на хлорид натрия: NaCl + H₂SO₄ → NaHSO₄ + HCl↑.

HCl хорошо растворяется в воде, потому что полярные молекулы воды притягиваются к полярным молекулам хлороводорода. Вода ослабляет и разрывает связь H—Cl, присоединяя протон к своей молекуле. Поэтому в растворе образуются ионы H₃O⁺ и Cl⁻: HCl + H₂O → H₃O⁺ + Cl⁻.

Кислотные свойства раствора определяются прежде всего ионами H₃O⁺. Они изменяют окраску индикаторов: лакмус становится красным, метилоранж — красным, а фенолфталеин остаётся бесцветным. С металлами кислота образует соль и водород, с основаниями — соль и воду, а с карбонатами — соль, воду и углекислый газ.

При добавлении нитрата серебра к соляной кислоте ионы Ag⁺ встречаются с ионами Cl⁻. Поскольку AgCl плохо растворим в воде, образуется белый осадок: AgNO₃ + HCl → AgCl↓ + HNO₃. В сокращённом ионном виде остаётся Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓, поэтому проба обнаруживает именно хлорид-ионы.

Сравнение хлороводорода и соляной кислоты

Таблица помогает не смешивать газ HCl с его водным раствором. Если в условии говорится об индикаторе или реакции обмена, речь обычно идёт о соляной кислоте и ионах в растворе. Для качественной реакции записывайте и молекулярное, и сокращённое ионное уравнение, если это требуется.

Разбор задач

Задача 1

Условие: составить уравнение получения хлороводорода из водорода и хлора и определить объём хлора, необходимый для получения 4 моль HCl.

1. Записываем уравнение и уравниваем атомы: H₂ + Cl₂ → 2HCl. Коэффициенты показывают, что 1 моль Cl₂ даёт 2 моль HCl.
2. Находим количество хлора: n(Cl₂) = 4 : 2 = 2 моль.
3. При нормальных условиях 1 моль газа занимает 22,4 л, поэтому V(Cl₂) = 2 · 22,4 = 44,8 л.

Ответ: нужно 2 моль, или 44,8 л хлора при нормальных условиях.

Задача 2

Условие: рассчитать массу NaCl для получения 7,3 г HCl действием концентрированной серной кислоты.

1. Записываем реакцию: NaCl + H₂SO₄ → NaHSO₄ + HCl↑. По уравнению 1 моль NaCl образует 1 моль HCl.
2. Молярная масса HCl равна 36,5 г/моль. Тогда n(HCl) = 7,3 : 36,5 = 0,2 моль.
3. Количество NaCl также равно 0,2 моль. При M(NaCl) = 58,5 г/моль получаем m(NaCl) = 0,2 · 58,5 = 11,7 г.

Ответ: потребуется 11,7 г хлорида натрия.

Задача 3

Условие: в трёх пробирках находятся HCl, NaCl и Na₂CO₃. Нужно распознать растворы доступными реактивами.

1. Добавляем индикатор в каждую пробирку. Раствор, который показывает кислую реакцию, — HCl.
2. К двум оставшимся растворам добавляем соляную кислоту. В пробирке с Na₂CO₃ появятся пузырьки CO₂: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂↑.
3. Оставшийся раствор — NaCl. Наличие Cl⁻ подтверждаем нитратом серебра: AgNO₃ + NaCl → AgCl↓ + NaNO₃. Такой же осадок даст и исходная соляная кислота.

Ответ: сначала кислоту находят индикатором, затем карбонат — по выделению CO₂, а хлорид-ионы подтверждают белым осадком AgCl.

Типичные ошибки

Считать хлороводород и соляную кислоту одним веществом — ошибка, потому что HCl бывает газом, а кислота является его раствором. Её допускают, когда не учитывают роль воды и ионов. Проверьте себя: спросите, есть ли в условии раствор и могут ли там присутствовать H₃O⁺ и Cl⁻.

Записывать соляную кислоту как самостоятельное вещество без уточнения состояния тоже неверно. Формула HCl обозначает состав хлороводорода, а для раствора нужно указывать HCl(водн.) или «раствор HCl». Если в записи появляются реакции индикатора или нейтрализации, речь идёт именно о растворе.

Реакция с AgNO₃ доказывает наличие Cl⁻, а не непосредственно молекул HCl. Такой же белый осадок дадут растворы других хлоридов, например NaCl. Проверяйте вывод по сокращённому ионному уравнению Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓.

Нельзя оставлять без продуктов реакции уравнения взаимодействия кислоты с металлами, основаниями и карбонатами. Для металла обычно образуются соль и H₂, для основания — соль и H₂O, для карбоната — соль, H₂O и CO₂. После записи пересчитайте атомы и заряды, а для карбоната проверьте наличие газа.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, валентности и ковалентной полярной связи. Они объясняют, почему электронная пара в HCl смещена к хлору и как составляется формула вещества.

Тема опирается на учение об электролитической диссоциации, кислотах, индикаторах и реакциях обмена. Эти понятия позволяют связать свойства соляной кислоты с ионами H₃O⁺ и Cl⁻.

Полученные знания пригодятся при изучении хлоридов и качественного анализа растворов. По тому же принципу можно исследовать состав других веществ и сравнивать свойства неорганических кислот.

Что запомнить

• Хлороводород имеет формулу HCl и является газом.
• Соляная кислота — водный раствор хлороводорода.
• В воде HCl образует ионы H₃O⁺ и Cl⁻.
• Соляная кислота изменяет окраску индикаторов и реагирует с активными металлами, основаниями и карбонатами.
• При реакции HCl с карбонатами выделяется углекислый газ.
• Хлорид-ионы обнаруживают по белому осадку AgCl при добавлении раствора нитрата серебра.