§ 19. Свойства кислот и щелочей

Определения и обозначения

Кислота — сложное вещество, в состав которого входят атомы водорода и кислотный остаток. В водном растворе кислоты образуются катионы водорода H⁺. Именно с ними связаны характерные свойства кислотных растворов, поэтому при изучении реакций важно учитывать не только формулу вещества, но и то, что происходит с ним в воде.

Щёлочь — основание, растворимое в воде. В водном растворе щёлочи присутствуют гидроксид-ионы OH⁻. По этой формуле можно узнать частицу, с которой связаны щелочные свойства, и отличить щёлочь от основания, которое в воде не растворяется.

Индикатор — вещество, которое меняет окраску в зависимости от среды раствора. К индикаторам относятся лакмус, метилоранж и фенолфталеин. С их помощью можно определить, является раствор кислым, нейтральным или щелочным, не пробуя его на вкус.

Нейтрализация — реакция кислоты со щёлочью, при которой образуются соль и вода. Например, при взаимодействии соляной кислоты и гидроксида натрия получается хлорид натрия и вода. Это понятие помогает распознавать тип реакции и предсказывать её продукты.

Как это устроено

Кислоты проявляют свои характерные свойства в водных растворах, потому что в воде возникают катионы водорода H⁺. Например, растворы соляной и серной кислот дают кислую среду, хотя формулы кислот различаются. Кислотам свойственны кислая реакция среды и изменение окраски индикаторов; многие кислоты также взаимодействуют с некоторыми металлами и основаниями. Поэтому сходство их свойств объясняется общими частицами в растворе.

Индикатор реагирует на условия среды изменением окраски, а не превращает раствор в кислоту или щёлочь. Кислотная, нейтральная и щелочная среды по-разному влияют на окраску лакмуса, метилоранжа и фенолфталеина. Сопоставляя полученный цвет с известными цветами индикатора, можно определить среду неизвестного раствора. Чтобы вывод был надёжнее, учитывают, какой именно индикатор использован.

Щёлочи, например гидроксид натрия NaOH, гидроксид калия KOH и гидроксид кальция Ca(OH)₂, растворяются в воде и образуют гидроксид-ионы OH⁻. Эти частицы обусловливают щелочную среду и характерное изменение окраски индикаторов. Поэтому растворы разных щелочей могут проявлять сходные свойства: в каждом из них есть общие для них гидроксид-ионы. Не всякое основание относится к щёлочам: оно должно растворяться в воде.

Когда раствор кислоты смешивают с раствором щёлочи, их характерные частицы взаимодействуют, и свойства исходных растворов ослабевают. Словесная схема реакции: кислота + щёлочь → соль + вода. Например, соляная кислота и гидроксид натрия образуют хлорид натрия и воду. Реакцию называют нейтрализацией, а её продукты определяют по составу кислоты и щёлочи.

Кислоты и щёлочи могут повредить кожу и глаза, поэтому с ними работают осторожно, используют защитные очки и не пробуют растворы. При попадании вещества на кожу нужно немедленно сообщить учителю и действовать по его указаниям. Разбавление кислоты сопровождается выделением тепла: если влить воду в концентрированную кислоту, смесь может резко нагреться и разбрызгаться. Поэтому кислоту медленно добавляют в воду, а не воду в кислоту.

Признаки кислотной, нейтральной и щелочной среды

Сначала определи, какой индикатор добавлен, а затем найди его цвет в соответствующей строке таблицы. Один и тот же цвет нельзя толковать одинаково для разных индикаторов. Фенолфталеин удобен для обнаружения щёлочи, но по его бесцветности нельзя отличить кислую среду от нейтральной.

Разбор задач

Задача 1. В растворе лакмус стал синим. Определи среду раствора и объясни вывод.

1. Вспоминаем, что лакмус в кислой среде красный, в нейтральной фиолетовый, а в щелочной синий.
2. Сравниваем наблюдаемую окраску с этими признаками: синий цвет соответствует щелочной среде.
3. Делаем вывод, что раствор щелочной; его свойства связаны с присутствием гидроксид-ионов OH⁻.

Ответ: среда щелочная, потому что лакмус окрасился в синий цвет.

Задача 2. Составь уравнение реакции соляной кислоты с гидроксидом натрия и назови продукты.

1. Записываем формулы реагентов: соляная кислота — HCl, гидроксид натрия — NaOH.
2. По схеме нейтрализации ожидаем соль и воду. Катион натрия Na⁺ соединяется с хлорид-ионом Cl⁻, поэтому формула соли — NaCl.
3. Записываем уравнение HCl + NaOH → NaCl + H₂O и проверяем число атомов: с обеих сторон по одному атому каждого элемента.

Ответ: HCl + NaOH → NaCl + H₂O; продукты — хлорид натрия и вода.

Задача 3. В растворе гидроксида натрия нужно получить сульфат натрия нейтрализацией. Определи недостающую кислоту и запиши уравнение.

1. Соль содержит натрий и сульфатный кислотный остаток SO₄²⁻, значит, исходная кислота должна давать этот остаток.
2. Такой кислотой является серная кислота H₂SO₄. Записываем схему: H₂SO₄ + NaOH → Na₂SO₄ + H₂O.
3. В соли два атома натрия, поэтому ставим коэффициент 2 перед NaOH. Затем уравниваем водород и кислород: H₂SO₄ + 2NaOH → Na₂SO₄ + 2H₂O.

Ответ: недостающая кислота — серная, H₂SO₄; уравнение реакции: H₂SO₄ + 2NaOH → Na₂SO₄ + 2H₂O.

Типичные ошибки

Называть любое основание щёлочью — ошибка: щёлочами являются только растворимые в воде основания. Путаница возникает потому, что щёлочь — частный случай основания. Проверь себя: если основание не растворяется в воде, называть его щёлочью нельзя.

Индикатор не нейтрализует кислоту или щёлочь, а только меняет окраску в зависимости от среды. Ошибку допускают, принимая наблюдаемое изменение за химическое устранение свойств раствора. Проверь себя: если добавили лишь несколько капель индикатора, используй его цвет для определения среды, а не считай продуктом реакции.

Нельзя смешивать в памяти цвета индикатора для кислой и щелочной среды: окраска зависит и от среды, и от выбранного индикатора. Путаница возникает, если запомнить только одно изменение цвета. Проверяй себя по таблице и называй оба условия: какой индикатор и какой цвет наблюдается.

При разбавлении кислоты нельзя лить воду в кислоту: смесь может сильно нагреться и разбрызгаться. Такой порядок кажется удобным, но он опасен из-за выделения тепла при смешивании. Проверь себя перед работой: кислоту следует осторожно добавлять в воду небольшими порциями, соблюдая указания учителя.

Связь с другими темами

Чтобы понимать свойства растворов, нужно знать, что вещества могут распадаться в воде на ионы, и различать катионы и анионы. Полезно также помнить формулы кислот и оснований: они помогают определить состав соли в реакции нейтрализации. Эти знания связывают свойства отдельных веществ с тем, какие частицы находятся в растворе.

Представления о кислотах, щёлочах и нейтрализации пригодятся при изучении солей и других химических реакций. По составу реагентов можно будет предсказывать продукты, записывать формулы и расставлять коэффициенты. А знания о среде раствора помогут объяснять поведение веществ в водных растворах.

Что запомнить

• Кислоты и щёлочи проявляют характерные свойства в водных растворах.
• Кислотные свойства связаны с катионами водорода H⁺, а щелочные — с гидроксид-ионами OH⁻.
• Индикаторы позволяют различать среду раствора по изменению окраски.
• Растворимое в воде основание называется щёлочью.
• При нейтрализации кислоты щёлочью образуются соль и вода.
• При разбавлении кислоту осторожно добавляют в воду.