Кислоты

Соляная, серная, фосфорная и уксусная кислоты различаются составом, силой и применением, но многие их реакции имеют общую основу — передачу протона другой частице. В начальном школьном курсе кислоты рассматривают как отдельный класс сложных веществ, учатся составлять формулы их солей и записывать взаимодействие с основаниями, оксидами и некоторыми металлами.

Что такое кислота

В школьной классификации кислоты — сложные вещества, содержащие атомы водорода, способные замещаться атомами металла при образовании солей, и кислотный остаток. В более общем определении Брёнстеда кислота — частица, способная передать протон H⁺ другой частице.

Определение связано со свойствами, а не только с наличием H в формуле. Метан CH₄ содержит водород, однако к обычным кислотам водных растворов его не относят. Кислота может реагировать с основанием, даже когда прямое взаимодействие с металлом не происходит.

В воде протон связывается с молекулой воды. Например, растворение хлороводорода сопровождается образованием ионов гидроксония и хлорид-ионов:

HCl + H₂O → H₃O⁺ + Cl⁻.

В школьных ионных уравнениях часто используют сокращённую запись H⁺ вместо подробного обозначения гидратированного протона. Это не означает существование свободных протонов без взаимодействия с водой. Газообразный HCl называют хлороводородом, а его водный раствор — соляной кислотой.

Названия и кислотные остатки

Кислотный остаток в простых школьных формулах — часть кислоты, остающаяся после отщепления кислотных протонов. При полном отщеплении его отрицательный заряд по модулю равен числу отданных протонов. Такие ионы входят в состав солей.

Таблица не означает, что перечисленные полностью депротонированные остатки преобладают в кислом растворе. У многоосновных кислот отщепление протонов ступенчатое. Например, для фосфорной кислоты последовательно возможны H₂PO₄⁻, HPO₄²⁻ и PO₄³⁻. Соли с сохранившимся кислотным водородом называют кислыми солями.

Как классифицируют кислоты

По наличию кислорода различают бескислородные кислоты, например HCl и H₂S, и кислородсодержащие, например HNO₃ и H₂SO₄. Кислород не является обязательной частью любой кислоты.

Основность кислоты — число протонов, которые одна её молекула может отдавать в рассматриваемых обычных кислотно-основных реакциях. Считать нужно кислотные атомы водорода, а не все символы H в формуле.

HCl и HNO₃ — одноосновные кислоты; H₂SO₄ и H₂CO₃ — двухосновные; H₃PO₄ — трёхосновная. Уксусная кислота CH₃COOH одноосновна: в обычной нейтрализации замещается водород группы COOH. Дополнительный пример — H₃PO₃, фосфористая кислота: один водород связан с фосфором, поэтому она двухосновная, несмотря на три H в молекулярной формуле.

По силе кислоты сравнивают по степени передачи протонов растворителю и соответствующим равновесиям. HCl и HNO₃ — сильные кислоты в воде; уксусная, угольная и фосфорная — слабые. У серной кислоты первая ступень диссоциации сильная, вторая выражена слабее. Не все многоосновные кислоты отдают все протоны одинаково легко.

Сила кислоты и концентрация раствора — разные характеристики. Сила описывает склонность передавать протон, концентрация — содержание кислоты в растворе. Слабая кислота может образовать концентрированный раствор, а сильная — очень разбавленный.

Химические свойства: три разобранных примера

1. Нейтрализация и количество щёлочи

Соляная кислота реагирует с раствором гидроксида натрия:

HCl + NaOH → NaCl + H₂O.

В сокращённой школьной ионной записи:

H⁺ + OH⁻ → H₂O.

Для многоосновной кислоты состав соли зависит от соотношения реагентов. При формальном расходе 1, 2 или 3 моль NaOH на 1 моль H₃PO₄ записывают соответственно:

H₃PO₄ + NaOH → NaH₂PO₄ + H₂O.

H₃PO₄ + 2NaOH → Na₂HPO₄ + 2H₂O.

H₃PO₄ + 3NaOH → Na₃PO₄ + 3H₂O.

Первые две соли кислые, третья — средняя. В действительном водном растворе между фосфатными формами есть равновесия; эти уравнения выражают суммарный стехиометрический состав, а не присутствие только одного вида ионов.

2. Цинк и разбавленная соляная кислота

Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑.

Цинк стоит в ряду активности до водорода, поэтому вытесняет его из разбавленной HCl. На один моль Zn расходуются два моля HCl, получается один моль H₂. Медь в обычных условиях с разбавленной соляной кислотой водород не выделяет.

Это правило нельзя переносить на любую кислоту. Азотная кислота и концентрированная серная кислота проявляют окислительные свойства; при их реакции с металлами обычно образуются другие продукты восстановления вместо водорода.

3. Карбонат и кислота

Карбонат кальция реагирует с соляной кислотой с выделением углекислого газа:

CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O.

Коэффициент 2 перед HCl нужен и для двух атомов хлора в соли, и для двух атомов водорода в воде. Карбонатная группа даёт одну молекулу CO₂; третий атом кислорода оказывается в воде. Выделение газа способствует протеканию реакции.

Кислоты взаимодействуют также с основными и многими амфотерными оксидами. Например, чёрный CuO растворяется в соляной кислоте с образованием соли и воды:

CuO + 2HCl → CuCl₂ + H₂O.

Индикаторы, физическое состояние и ошибки

В обычной кислой водной среде лакмус красный, фенолфталеин бесцветный, универсальный индикатор даёт красные, оранжевые или жёлтые оттенки по своей шкале. При 25 °C кислой среде соответствует pH меньше 7. Бесцветность фенолфталеина сама по себе не отличает кислоту от нейтрального раствора.

Кислоты не обязаны быть жидкостями: чистая лимонная кислота — твёрдое вещество, а хлороводород — газ. В школьных реакциях часто рассматривают именно водные растворы. Чистая уксусная кислота при охлаждении способна кристаллизоваться; свойства чистого вещества и его разбавленного раствора различаются. Неизвестные растворы не пробуют на вкус; при работе с кислотами соблюдают правила лабораторной безопасности.

• Не определяйте основность по общему числу атомов H.
• Не путайте нитрат NO₃⁻ с нитритом NO₂⁻: оба иона однозарядны.
• Не теряйте группу CH₃ в ацетат-ионе CH₃COO⁻.
• Не считайте «слабую» кислоту автоматически безопасной, а разбавленную — слабой.
• Не записывайте выделение H₂ для любого сочетания металла с кислотой.

Проверьте себя

1. Назовите кислоту HNO₃ и её кислотный остаток. Каков заряд остатка?
2. Почему CH₃COOH одноосновна, хотя содержит четыре атома H?
3. Какую соль получают в школьной суммарной записи при расходе 2 моль NaOH на 1 моль H₃PO₄?
4. Сколько молей HCl требуется для полного взаимодействия с 0,2 моль CaCO₃? Сколько молей CO₂ образуется?
5. Можно ли по словам «разбавленная кислота» определить, сильная она или слабая? Выделяет ли медь водород из разбавленной HCl в обычных условиях?

Ответы с объяснениями

1. Азотная кислота; нитрат-ион NO₃⁻ с зарядом −1. Один кислотный протон соответствует одному отрицательному заряду остатка.

2. В обычной нейтрализации отдаётся протон группы COOH. Три атома H группы CH₃ таким способом не замещаются, поэтому получается ацетат CH₃COO⁻.

3. Гидрофосфат натрия Na₂HPO₄. Два кислотных атома H замещены натрием, один сохранён: это кислая соль.

4. По коэффициентам на один моль карбоната нужны два моля HCl и образуется один моль CO₂:

   n(HCl) = 2 · 0,2 = 0,4 моль; n(CO₂) = 0,2 моль.

5. Нет: разбавленность характеризует содержание кислоты, а не её силу. Медь из разбавленной соляной кислоты водород в обычных условиях не вытесняет, поскольку в ряду активности находится после водорода.

Связанные темы

Основания, оксиды, соли и кислые соли, типы химических реакций.

Источники

Определение кислоты: IUPAC, Brønsted acid. Протонный перенос и многоосновные кислоты: OpenStax, Brønsted–Lowry Acids and Bases; различие силы и концентрации: OpenStax, Relative Strengths of Acids and Bases.