§ 25. Кислоты, их классификация и химические свойства

Сложные неорганические вещества, молекулы которых состоят из атомов водорода, способных замещаться на атомы металлов, и кислотных остатков.

• Общая химическая формула: $H_nAc$, где $n$ — число атомов водорода, определяющее валентность кислотного остатка ($Ac$)
• Общие свойства обусловлены наличием в растворах катионов водорода $H^+$

Систематика кислот по составу и строению:

• 1. По наличию кислорода в молекуле:
• Бескислородные: $HCl$ (хлороводородная / соляная), $H_2S$ (сероводородная), $HBr$ (бромоводородная), $HI$ (йодоводородная), $HF$ (фтороводородная)
• Кислородсодержащие: $HNO_3$ (азотная), $HNO_2$ (азотистая), $H_2SO_4$ (серная), $H_2SO_3$ (сернистая), $H_3PO_4$ (ортофосфорная), $H_2CO_3$ (угольная), $H_2SiO_3$ (кремниевая)
• 2. По основности (числу атомов водорода):
• Одноосновные: $HCl, HNO_3, HNO_2, HF, HBr$
• Двухосновные: $H_2SO_4, H_2SO_3, H_2CO_3, H_2S, H_2SiO_3$
• Трёхосновные: $H_3PO_4$
• 3. По растворимости в воде:
• Растворимые: практически все кислоты ($HCl, HNO_3, H_2SO_4, H_3PO_4$)
• Нерастворимые: кремниевая кислота $H_2SiO_3$ (выпадает в виде студенистого осадка)
• 4. По летучести и стабильности:
• Летучие: $HCl, H_2S, HNO_3$; нелетучие: $H_2SO_4, H_3PO_4, H_2SiO_3$
• Нестабильные (разлагаются при образовании): $H_2CO_3 \rightarrow H_2O + CO_2\uparrow$, $H_2SO_3 \rightarrow H_2O + SO_2\uparrow$
• 5. Правила образования названий:
• Бескислородные: корень названия неметалла + «-о-» + «водородная кислота» ($HCl$ — хлороводородная, $H_2S$ — сероводородная)
• Кислородсодержащие в высшей степени окисления элемента: корень неметалла + суффикс «-н-» или «-ов-/-ев-» + окончание «-ая» ($H_2SO_4$ — серная, $HNO_3$ — азотная)
• В низшей степени окисления: суффикс «-ист-» ($H_2SO_3$ — сернистая, $HNO_2$ — азотистая)

Химические превращения, характерные для водных растворов кислот:

• 1. Действие на индикаторы:

Кислоты окрашивают лакмус в красный цвет, метиловый оранжевый — в розовый/красный, фенолфталеин остаётся бесцветным

• 2. Взаимодействие с металлами (реакция замещения):

Выделяется водород и образуется соль:

$$Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2\uparrow$$

$$Mg + H_2SO_4\text{(разб.)} \rightarrow MgSO_4 + H_2\uparrow$$

• 3. Взаимодействие с основными оксидами:

Образуются соль и вода:

$$CuO + 2HNO_3 \rightarrow Cu(NO_3)_2 + H_2O$$

$$CuO + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + H_2O$$

• 4. Взаимодействие с основаниями (реакция нейтрализации):

$$NaOH + HNO_3 \rightarrow NaNO_3 + H_2O$$

$$Cu(OH)_2 + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + 2H_2O$$

• 5. Взаимодействие с солями (реакция обмена):

Образуются новая соль и новая кислота:

$$BaCl_2 + H_2SO_4 \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2HCl$$

$$Na_2CO_3 + 2HNO_3 \rightarrow 2NaNO_3 + H_2O + CO_2\uparrow$$

Обязательные термодинамические и кинетические правила протекания процессов:

• 1. С металлами:
• Металл должен стоять в электрохимическом ряду напряжений левее водорода ($H_2$)
• Образующаяся соль должна быть растворимой (иначе нерастворимая соль покроет поверхность металла плёнкой и затормозит реакцию)
• Азотная кислота ($HNO_3$) любой концентрации и концентрированная серная кислота ($H_2SO_4$) реагируют с металлами особым образом — без выделения водорода
• 2. С солями:
• Реакция протекает только в том случае, если в результате выпадает нерастворимый осадок ($BaSO_4\downarrow, AgCl\downarrow$) либо выделяется летучий газ ($CO_2\uparrow, SO_2\uparrow, H_2S\uparrow$)

Основные пути синтеза бескислородных и кислородсодержащих кислот:

• 1. Бескислородные кислоты:

Синтез из простых веществ (газообразных водорода и неметалла) с последующим растворением образующегося газа в воде:

$$H_2 + Cl_2 \rightarrow 2HCl\uparrow \quad (\text{растворение } HCl \text{ в воде дает соляную кислоту})$$

• 2. Кислородсодержащие кислоты:
• Взаимодействие кислотных оксидов с водой:

$$SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4$$

$$P_2O_5 + 3H_2O \rightarrow 2H_3PO_4$$

• Реакция обмена между солью и более сильной или менее летучей кислотой (вытеснение кислот):

$$Ca_3(PO_4)_2 + 3H_2SO_4 \rightarrow 3CaSO_4\downarrow + 2H_3PO_4$$

$$Na_2SiO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2SiO_3\downarrow$$

Определение:

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

• Валентность кислотного остатка численно равна количеству атомов водорода в молекуле кислоты (например, у соляной кислоты $HCl$ остаток $-Cl$ одновалентен; у серной $H_2SO_4$ остаток $=SO_4$ двухвалентен; у ортофосфорной $H_3PO_4$ остаток $\equiv PO_4$ трёхвалентен).

1. Всесторонняя классификация серной кислоты $H_2SO_4$ (разбавленной):

• По наличию кислорода: кислородсодержащая (содержит 4 атома кислорода);
• По основности: двухосновная (содержит 2 атома водорода);
• По растворимости в воде: растворимая (неограниченно смешивается с водой);
• По летучести: нелетучая (имеет высокую температуру кипения);
• По стабильности: стабильная (не разлагается при обычных условиях);
• По силе: сильная кислота.

2. Уравнение реакции получения:

Серную кислоту в промышленности получают гидратацией её кислотного оксида — оксида серы(VI):

$$SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4$$

1. Для бескислородных кислот:

Название строится путём соединения корня русского названия неметалла с соединительной гласной «-о-» и добавлением слова «водородная кислота»:

• $HCl$ — хлор + о + водородная = хлороводородная (соляная) кислота;
• $H_2S$ — сер + о + водородная = сероводородная кислота;
• $HF$ — фтор + о + водородная = фтороводородная (плавиковая) кислота;
• $HBr$ — бром + о + водородная = бромоводородная кислота.

2. Для кислородсодержащих кислот:

Название образуется от корня названия элемента, образующего кислоту, с добавлением суффиксов, зависящих от его степени окисления:

• Если элемент находится в высшей степени окисления, используют суффиксы «-н-», «-ов-», «-ев-»:
• $H_2SO_4$ — серная кислота (сера в степени окисления $+6$);
• $HNO_3$ — азотная кислота (азот в степени окисления $+5$);
• $H_3PO_4$ — фосфорная (ортофосфорная) кислота (фосфор в $+5$);
• $H_2CO_3$ — угольная кислота (углерод в $+4$);
• $H_2SiO_3$ — кремниевая кислота (кремний в $+4$).
• Если элемент находится в более низкой (промежуточной) степени окисления, используют суффикс «-ист-»:
• $H_2SO_3$ — сернистая кислота (сера в $+4$);
• $HNO_2$ — азотистая кислота (азот в $+3$).

Кислоты проявляют следующие общие химические свойства, обусловленные наличием катионов водорода $H^+$ в водном растворе:

• Кислый вкус (органолептическое свойство, безопасные природные кислоты).
• Действие на индикаторы: вызывают изменение цвета лакмуса на красный, метилоранжа — на розово-красный.
• Взаимодействие с металлами: стоящими в ряду напряжений до водорода, с выделением $H_2\uparrow$ и образованием соли:

$$Mg + 2HCl \rightarrow MgCl_2 + H_2\uparrow$$

• Взаимодействие с осно́вными оксидами: с образованием соли и воды:

$$CuO + 2HCl \rightarrow CuCl_2 + H_2O$$

• Взаимодействие с основаниями (нейтрализация): как с растворимыми (щелочами), так и с нерастворимыми:

$$KOH + HNO_3 \rightarrow KNO_3 + H_2O$$

$$Cu(OH)_2 + 2HCl \rightarrow CuCl_2 + 2H_2O$$

• Взаимодействие с солями: реакция обмена с вытеснением более слабой/летучей кислоты или образованием осадка:

$$Na_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2O + CO_2\uparrow$$

1. Для реакций кислот с металлами:

• Металл должен стоять в электрохимическом ряду активности (напряжений) металлов левее водорода ($H_2$); металлы, стоящие правее ($Cu, Hg, Ag, Pt, Au$), с обычными кислотами не реагируют;
• Образующаяся в реакции соль должна быть растворимой в воде, иначе слой нерастворимой соли заблокирует доступ кислоты к металлу (пассивация);
• Реакция протекает только с разбавленными кислотами (для азотной кислоты любой концентрации и концентрированной серной кислоты действует особый окислительно-восстановительный механизм без выделения водорода);
• Не используют щелочные металлы ($Na, K$), так как они в первую очередь бурно и со взрывом реагируют с водой раствора.

2. Для реакций кислот с солями:

• Исходная соль и кислота должны вступить в обменную реакцию, которая протекает до конца строго в трёх случаях (правило Бертолле):
• Выпадает нерастворимый осадок ($BaCl_2 + H_2SO_4 \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2HCl$);
• Выделяется газ ($CaCO_3 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + H_2O + CO_2\uparrow$);
• Образуется более слабая или нестойкая кислота.