§ 25. Кислоты, их классификация и химические свойства

СТРОЕНИЕ КИСЛОТ, СОСТАВЛЕНИЕ НАЗВАНИЙ И КЛАССИФИКАЦИЯ

С кислотами человек сталкивается непрерывно: от лимонной и яблочной кислот в пищевых продуктах и уксуса в консервации до серной кислоты в автомобильных свинцовых аккумуляторах. В неорганической химии все кислоты объединяются общими структурными чертами.

Кислоты — это сложные вещества, молекулы которых состоят из атомов водорода, способных замещаться на атомы металлов, и кислотного остатка.

Общую формулу кислот можно выразить как HₙAc, где Ac (от латинского acidum — кислота) обозначает кислотный остаток, а индекс n указывает число атомов водорода и строго равен валентности этого кислотного остатка.

Принципы номенклатуры кислот:

1. Бескислородные кислоты: их названия составляются по единой схеме: корень русского названия неметалла + соединительная гласная «о» + «водородная кислота»:
   • HCl — хлороводородная (или соляная) кислота;
   • H₂S — сероводородная кислота;
   • HF — фтороводородная (плавиковая) кислота;
   • HBr — бромоводородная кислота;
   • HI — иодоводородная кислота.
2. Кислородсодержащие кислоты: их названия образуются от названия неметалла с помощью суффиксов, отражающих степень его окисления:
   • Если неметалл находится в высшей степени окисления, используется суффикс -(н)ая или -овая: азотная HNO₃, серная H₂SO₄, угольная H₂CO₃, кремниевая H₂SiO₃, ортофосфорная H₃PO₄;
   • Если неметалл имеет промежуточную (более низкую) степень окисления, используется суффикс -ист(ая): азотистая HNO₂, сернистая H₂SO₃.

Классификация кислот (по пяти фундаментальным признакам):

• По наличию атомов кислорода:
  • Бескислородные: HCl, H₂S, HF, HBr, HI;
  • Кислородсодержащие: HNO₃, H₂SO₄, H₂SO₃, H₂CO₃, H₃PO₄, H₂SiO₃.
• По основности (числу атомов водорода в молекуле):
  • Одноосновные: HCl, HNO₃, HF, HBr;
  • Двухосновные: H₂SO₄, H₂SO₃, H₂CO₃, H₂S, H₂SiO₃;
  • Трёхосновные: H₃PO₄.
• По растворимости в воде:
  • Растворимые: почти все известные кислоты (HCl, HNO₃, H₂SO₄, H₃PO₄);
  • Практически нерастворимые: кремниевая кислота H₂SiO₃ (выпадает из растворов в виде бесцветного студенистого осадка).
• По летучести:
  • Летучие: легко улетучивающиеся газы или жидкости с резким запахом — HCl, H₂S, HF, HNO₃;
  • Нелетучие: тяжелая вязкая серная кислота H₂SO₄, твердая ортофосфорная кислота H₃PO₄, кремниевая кислота H₂SiO₃.
• По стабильности (устойчивости к распаду):
  • Стабильные: устойчивые при обычных условиях — H₂SO₄, H₃PO₄, HCl;
  • Нестабильные: самопроизвольно распадаются на оксид и воду прямо в момент образования:
  • угольная кислота: H₂CO₃ ⇄ H₂O + CO₂↑;
  • сернистая кислота: H₂SO₃ ⇄ H₂O + SO₂↑.

ДЕЙСТВИЕ НА ИНДИКАТОРЫ И РЕАКЦИИ С МЕТАЛЛАМИ: ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ РЯД

Все кислоты в водных растворах распадаются с отщеплением подвижных катионов водорода H⁺. Именно наличие этих ионов обусловливает общий кислый вкус растворов и характерное поведение индикаторов:

• Лакмус из фиолетового окрашивается в интенсивный красный цвет;
• Метилоранж из оранжевого становится отчетливо розово-красным;
• Фенолфталеин в кислой среде остается бесцветным (он служит индикатором только на щёлочи).

Взаимодействие металлов с растворами кислот (вытеснение водорода):

При контакте активных металлов с растворами кислот атомы металла вытесняют водород, замещая его в молекуле кислоты:

Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂↑

Mg + H₂SO₄ (разб.) = MgSO₄ + H₂↑

Чтобы металл вступил в реакцию с кислотой с выделением газообразного водорода, должны строго соблюдаться три условия:

1. Положение в электрохимическом ряду напряжений (активности) металлов:

Металл должен располагаться строго левее водорода:

Li, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, (H₂), Cu, Hg, Ag, Pt, Au

Металлы, стоящие правее водорода (медь Cu, ртуть Hg, серебро Ag, золото Au), водород из кислот не вытесняют. Если в пробирку с соляной кислотой опустить медную проволоку, никакой реакции не происходит (лабораторный опыт 22).

1. Растворимость образующейся соли:

Получающаяся в результате реакции соль обязательно должна быть растворима в воде. Если соль нерастворима (например, свинец при контакте с серной кислотой образует нерастворимый сульфат свинца PbSO₄↓), она моментально покрывает гранулу металла плотной бронирующей плёнкой, прекращая доступ кислоты.

1. Природа кислоты:

Кислота не должна проявлять свойства кислоты-окислителя за счет кислотного остатка. Концентрированная серная кислота H₂SO₄ и азотная кислота HNO₃ любой концентрации окисляют металлы по особому механизму: водород в таких реакциях никогда не выделяется!

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ОСНОВНЫМИ ОКСИДАМИ, ОСНОВАНИЯМИ И СОЛЯМИ

Кислоты обладают высокой химической активностью и вступают в реакции со всеми классами соединений основного характера:

1. Взаимодействие с основными оксидами:

Кислоты легко растворяют оксиды металлов, переводя их в растворимые соли и воду:

CuO + 2HNO₃ = Cu(NO₃)₂ + H₂O

Черный порошок оксида меди(II) растворяется в теплой азотной кислоте с образованием синего раствора нитрата меди(II). Точно так же протекает растворение ржавчины под действием кислот:

Fe₂O₃ + 6HCl = 2FeCl₃ + 3H₂O

1. Взаимодействие с основаниями (реакция нейтрализации):

Это фундаментальное свойство кислот. Кислота взаимодействует как с растворимыми щелочами, так и с нерастворимыми гидроксидами:

NaOH + HNO₃ = NaNO₃ + H₂O

Cu(OH)₂↓ + H₂SO₄ = CuSO₄ + 2H₂O

Голубой осадок гидроксида меди(II) при приливании серной кислоты мгновенно растворяется, давая прозрачный лазурный раствор сульфата меди(II).

1. Взаимодействие с солями (реакции ионного обмена):

Кислоты вступают в обменные реакции с солями, если в результате реакции выделяется газообразное вещество или выпадает нерастворимый осадок:

• Качественная реакция на сульфат-ион: при смешивании раствора хлорида бария с серной кислотой выпадает белый кристаллический осадок сульфата бария, нерастворимый ни в воде, ни в кислотах:

BaCl₂ + H₂SO₄ = BaSO₄↓ + 2HCl

• Качественная реакция на карбонат-ион (лабораторный опыт 23): при добавлении любой сильной кислоты к раствору карбоната натрия (соды) происходит бурное выделение пузырьков углекислого газа:

Na₂CO₃ + 2HCl = 2NaCl + H₂O + CO₂↑

• Качественная реакция на хлорид-ион (лабораторный опыт 23): при добавлении нитрата серебра AgNO₃ к соляной кислоте мгновенно выпадает белый творожистый осадок хлорида серебра, не растворяющийся в азотной кислоте:

HCl + AgNO₃ = AgCl↓ + HNO₃

СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ КИСЛОТ В ХИМИИ

В лабораторной практике и химической технологии применяют три основных метода получения кислот:

1. Синтез бескислородных кислот:

Прямое соединение простых веществ (водорода и неметалла) при нагревании или освещении с последующим растворением полученного газа в воде:

H₂ + Cl₂ —(свет)→ 2HCl (хлороводород при растворении в воде образует соляную кислоту);

H₂ + S —(t)→ H₂S (сероводород).

1. Гидратация кислотных оксидов (для кислородсодержащих кислот):

Большинство кислородсодержащих кислот получают взаимодействием соответствующего кислотного оксида с водой:

SO₃ + H₂O = H₂SO₄ (промышленное получение серной кислоты);

P₂O₅ + 3H₂O = 2H₃PO₄ (получение ортофосфорной кислоты).

1. Вытеснение слабых или летучих кислот из солей (реакции обмена):

Более сильная или нелетучая кислота вытесняет более слабую или летучую из её сухой соли или концентрированного раствора:

• Промышленный метод экстракции фосфорной кислоты сернокислотным разложением природных фосфоритов:

Ca₃(PO₄)₂ + 3H₂SO₄ = 3CaSO₄↓ + 2H₃PO₄

Малорастворимый сульфат кальция отделяют фильтрованием, а чистый раствор фосфорной кислоты направляют на производство удобрений;

• Получение летучей соляной кислоты прокаливанием сухой поваренной соли с концентрированной серной кислотой:

2NaCl (тв.) + H₂SO₄ (конц.) —(t)→ Na₂SO₄ + 2HCl↑