Кислоты, основания и амфотерные гидроксиды

Кислота — вещество, которое в водном растворе отщепляет катион водорода H⁺. Всё, что спрашивают в задании 8, опирается на три независимых признака: есть ли кислород в кислотном остатке, сколько атомов водорода способны отщепиться и насколько полно идёт диссоциация.

Обратите внимание: основность считают не по всем атомам водорода, а только по тем, что связаны с кислотным остатком и способны отщепиться. В уксусной кислоте CH₃COOH четыре атома водорода, но кислота одноосновная — отщепляется только один, из карбоксильной группы.

Отдельно запомните HF: несмотря на самый прочный водородный остаток среди галогеноводородов, фтороводородная кислота слабая, а вот HCl, HBr и HI — сильные. И H₂SiO₃ — настолько слабая, что вообще нерастворима и получается только из силикатов действием любой другой кислоты.

У кислот пять типовых реакций. Четыре идут почти всегда, а пятая — с солью — требует проверки условия.

1. С металлами. Разбавленные HCl, HBr, HI, H₂SO₄ и другие кислоты-неокислители растворяют только металлы, стоящие в ряду активности левее водорода, и дают соль и H₂.

2. С основными и амфотерными оксидами — соль и вода, без каких-либо условий.

3. С основаниями и амфотерными гидроксидами — реакция нейтрализации. Идёт и со щёлочью, и с нерастворимым основанием.

4. С солями — реакция обмена, и вот здесь нужно условие. Она идёт, только если образуется осадок, газ или слабый электролит (чаще всего вода или слабая кислота). Проще говоря: более сильная кислота вытесняет более слабую из её соли.

5. Разложение неустойчивых кислот. Угольная и сернистая кислоты существуют только в растворе и сразу распадаются, поэтому в уравнениях их не пишут — сразу указывают газ и воду.

Задание 8 почти всегда сводится к вопросу «реагирует / не реагирует». Ниже — семь типовых реагентов против четырёх столбцов. Нажмите на любую ячейку: под таблицей появится уравнение и разбор условия. Ячейки-ловушки подсвечены отдельным цветом и подписаны.

Основание — гидроксид металла, отщепляющий в растворе гидроксид-ион OH⁻. Разделение на два типа здесь важнее любой другой классификации: щёлочи растворимы и способны почти на всё, нерастворимые основания умеют ровно две вещи — реагировать с кислотой и разлагаться при нагревании.

Щёлочи образуют только щелочные металлы (Li, Na, K, Rb, Cs) и щелочноземельные (Ca, Sr, Ba). Гидроксид кальция Ca(OH)₂ — малорастворим, но по свойствам это полноценная щёлочь. Всё остальное нерастворимо.

Амфотерный гидроксид — тот, что реагирует и с кислотой, и со щёлочью. В школьном курсе это Be(OH)₂, Zn(OH)₂, Al(OH)₃, Cr(OH)₃, а также Fe(OH)₃, Sn(OH)₂ и Pb(OH)₂ со слабо выраженной амфотерностью. С кислотой такой гидроксид ведёт себя как основание, со щёлочью — как кислота, и продукт при этом зависит от условий.

Разница между двумя продуктами со щёлочью — про воду. В растворе центральный атом достраивает координационную сферу гидроксид-ионами, получается гидроксокомплекс в квадратных скобках. При сплавлении воды в системе нет, она уходит как продукт, и остаётся безводная соль — алюминат, цинкат, хромит, бериллат.

Заряд комплексного иона считается элементарно: заряд центрального катиона плюс минус единица за каждый OH⁻. У Zn²⁺ с четырьмя OH⁻ выходит −2, поэтому снаружи два Na⁺; у Al³⁺ с четырьмя OH⁻ выходит −1 и один Na⁺; у Cr³⁺ с шестью OH⁻ выходит −3 и три Na⁺.

Способ получения зависит ровно от одного: растворимо основание или нет. Щёлочи получают прямым взаимодействием металла или его оксида с водой, а в промышленности — электролизом раствора хлорида.

Нерастворимые основания так получить нельзя: их оксиды с водой не реагируют. Остаётся единственный путь — реакция обмена: соль плюс щёлочь.

С амфотерными гидроксидами тот же приём даёт сбой: осадок выпадает, но в избытке щёлочи тут же растворяется. Формально можно взять щёлочь в недостатке, но отмерить его в реальном опыте невозможно, поэтому осаждают слабым основанием — водным раствором аммиака, который растворить осадок не в состоянии.

Обратный переход — из гидроксокомплекса назад в осадок — делают слабой кислотой, чаще всего углекислым газом: он разрушает комплекс, но выпавший осадок не растворяет.

Индикатор показывает среду раствора. Ключевое ограничение: он реагирует на ионы в растворе, поэтому нерастворимые основания и нерастворимые кислоты (H₂SiO₃) окраску не меняют.

Отдельно запомните фенолфталеин: он не различает кислую и нейтральную среду — в обеих бесцветен. Зато это самый наглядный индикатор на щёлочь.