§ 16. Кислоты

Сложные неорганические вещества, молекулы которых состоят из одного или нескольких атомов водорода, способных замещаться атомами металлов, и кислотного остатка.

• Общая формула кислот: $\\text{H}_n\text{Ac}$, где $\text{Ac}$ — кислотный остаток (acid residue), а $n$ — число атомов водорода, определяющее основность кислоты и валентность кислотного остатка
• Число атомов водорода в молекуле определяет валентность кислотного остатка:
• В соляной ($\text{HCl}$), азотистой ($\text{HNO}_2$) и азотной ($\text{HNO}_3$) кислотах кислотные остатки ($\text{Cl}$, $\text{NO}_2$, $\text{NO}_3$) одновалентны (I)
• В серной ($\\text{H}_2\text{SO}_4$), сернистой ($\\text{H}_2\text{SO}_3$), сероводородной ($\\text{H}_2\text{S}$), угольной ($\\text{H}_2\text{CO}_3$) и кремниевой ($\\text{H}_2\text{SiO}_3$) кислотах остатки ($\text{SO}_4$, $\text{SO}_3$, $\text{S}$, $\text{CO}_3$, $\text{SiO}_3$) двухвалентны (II)
• В фосфорной кислоте ($\\text{H}_3\text{PO}_4$) остаток ($\text{PO}_4$) трёхвалентен (III)
• Названия кислот исторически сложились на основе образующего их неметалла: азотная, серная, сернистая, фосфорная, соляная (хлороводородная)

Классификация кислот по качественному элементному составу их молекул.

• 1. Бескислородные кислоты: молекулы состоят только из водорода и неметалла, кислород отсутствует:
• Соляная (хлороводородная) кислота $\text{HCl}$
• Сероводородная кислота $\\text{H}_2\text{S}$
• Фтороводородная (плавиковая) $\text{HF}$, бромоводородная $\text{HBr}$, йодоводородная $\text{HI}$
• 2. Кислородсодержащие кислоты: в состав кислотного остатка входят атомы кислорода:
• Серная кислота $\\text{H}_2\text{SO}_4$ и сернистая кислота $\\text{H}_2\text{SO}_3$
• Азотная кислота $\text{HNO}_3$ и азотистая кислота $\text{HNO}_2$
• Фосфорная (ортофосфорная) кислота $\\text{H}_3\text{PO}_4$
• Угольная кислота $\\text{H}_2\text{CO}_3$ и кремниевая кислота $\\text{H}_2\text{SiO}_3$

Специальные химические вещества (от латинского indicator — указатель), способные обратимо изменять свою окраску в зависимости от присутствия кислоты или щёлочи в растворе.

• Используются для безопасного распознавания кислот (пробовать кислоты на вкус категорически запрещено правилами техники безопасности!)
• Окраска основных индикаторов в кислой среде:
• Лакмус (в нейтральной среде фиолетовый) в кислотах приобретает ярко-красный цвет
• Метилоранж (в нейтральной среде оранжевый) в кислотах окрашивается в розово-красный цвет
• Фенолфталеин в кислой среде остаётся бесцветным (используется только для щелочей)
• В лабораторной практике часто используют универсальную индикаторную бумагу, пропитанную смесью красителей

Справочная физико-химическая матрица кислот, солей и оснований в воде при стандартной температуре (20–25 °C), размещаемая на форзаце учебников химии.

• Показывает способность веществ распадаться на ионы и переходить в водный раствор (обозначения: «Р» — растворимо, «М» — малорастворимо, «Н» — практически нерастворимо)
• Практически все известные неорганические кислоты являются хорошо растворимыми в воде («Р») жидкостями или растворами газов
• Единственное важнейшее исключение среди изучаемых кислот — кремниевая кислота $\\text{H}_2\text{SiO}_3$, которая в воде не растворяется («Н») и выпадает в виде бесцветного студенистого гелеобразного осадка

Два фундаментальных представителя кислот неорганической химии.

• 1. Серная кислота ($\\text{H}_2\text{SO}_4$):
• Тяжёлая бесцветная маслянистая жидкость без запаха, почти вдвое тяжелее воды ($\rho \approx 1{,}84\text{ г/см}^3$), в старину называлась «купоросным маслом»
• Исключительно гигроскопична: энергично отнимает молекулы воды у органических веществ (обугливает сахар, древесину, хлопчатобумажную ткань, бумагу)
• Растворение в воде сопровождается огромным выделением теплоты. Золотое правило техники безопасности: серную кислоту тонкой струйкой медленно приливают к воде при непрерывном перемешивании («Не лей воду в кислоту — потеряешь красоту!»)
• Применение: «хлеб химической промышленности» — производство минеральных удобрений, аккумуляторов (автомобильный электролит), очистка нефтепродуктов, травление металлов, синтез взрывчатых веществ и красителей
• 2. Соляная кислота ($\text{HCl}$):
• Раствор газообразного хлороводорода в воде с максимальной массовой концентрацией около 36–38% при 20 °C
• Концентрированная кислота «дымит» на воздухе вследствие выделения газа $\text{HCl}$, образующего с влагой воздуха микрокапли тумана; имеет резкий удушливый запах
• Содержится в желудочном соке человека (около 0,5%), где активизирует фермент пепсин для переваривания белков и выполняет роль санитарного барьера, уничтожая болезнетворные микроорганизмы
• Применение: получение хлоридов металлов, травление стальных поверхностей перед пайкой и лужением, синтез лекарственных средств

1. Определение кислот:

Кислотами называются сложные химические вещества, состоящие из атомов водорода, способных замещаться на атомы металлов, и кислотных остатков.

2. Классификация кислот:

• а) По растворимости в воде:
• Растворимые кислоты: подавляющее большинство неорганических кислот (соляная $\text{HCl}$, серная $\\text{H}_2\text{SO}_4$, азотная $\text{HNO}_3$, азотистая $\text{HNO}_2$, фосфорная $\\text{H}_3\text{PO}_4$, сернистая $\\text{H}_2\text{SO}_3$, сероводородная $\\text{H}_2\text{S}$, угольная $\\text{H}_2\text{CO}_3$);
• Нерастворимые кислоты: кремниевая кислота $\\text{H}_2\text{SiO}_3$ (в воде практически не растворяется и образует студенистый осадок).

• б) По содержанию кислорода в кислотном остатке:
• Бескислородные кислоты: в формуле молекулы кислород отсутствует: соляная $\text{HCl}$, сероводородная $\\text{H}_2\text{S}$, плавиковая $\text{HF}$, бромоводородная $\text{HBr}$, йодоводородная $\text{HI}$;
• Кислородсодержащие кислоты: молекула содержит один или несколько атомов кислорода: серная $\\text{H}_2\text{SO}_4$, азотная $\text{HNO}_3$, фосфорная $\\text{H}_3\text{PO}_4$, угольная $\\text{H}_2\text{CO}_3$, сернистая $\\text{H}_2\text{SO}_3$, кремниевая $\\text{H}_2\text{SiO}_3$.

(Примечание: по числу атомов водорода кислоты также классифицируют на одноосновные — $\text{HCl}$, $\text{HNO}_3$; двухосновные — $\\text{H}_2\text{SO}_4$, $\\text{H}_2\text{S}$; трёхосновные — $\\text{H}_3\text{PO}_4$).

Характеристика фосфорной (ортофосфорной) кислоты по предложенному плану:

• а) Химическая формула: $\\text{H}_3\text{PO}_4$.
• б) Наличие кислорода: является кислородсодержащей кислотой, так как в состав её молекулы входят 4 атома кислорода (кислотный остаток $-\text{PO}_4$).
• в) Растворимость в воде: относится к растворимым кислотам (в таблице растворимости обозначена буквой «Р»). В индивидуальном виде представляет собой прозрачные бесцветные кристаллы, прекрасно смешивающиеся с водой в любых соотношениях.
• г) Валентность кислотного остатка: кислотный остаток фосфат ($\text{PO}_4$) соединён с тремя одновалентными атомами водорода, следовательно, его валентность равна III (трёхосновная кислота).