Что такое кислоты и основания?
Кислоты кислые на вкус (лимон, тамаринд, уксус) и превращают синий лакмус в красный. Основания горькие на вкус и мылкие на ощупь; они превращают красный лакмус в синий. Никогда не пробуй химические вещества на вкус: эти свойства мы изучаем только на еде.
Кислоты и основания в быту
- Кислоты в природе: лимонная (лимон, апельсин), молочная (простокваша), уксусная (уксус), винная (тамаринд), муравьиная (муравьи, укус пчелы, крапива), щавелевая (помидор).
- Минеральные кислоты в лаборатории: соляная HCl, серная H₂SO₄, азотная HNO₃.
- Основания: гидроксид натрия NaOH, гидроксид калия KOH, гидроксид кальция Ca(OH)₂ (известковая вода), гидроксид магния Mg(OH)₂ (молоко магнезии), гидроксид аммония NH₄OH.
Основание, которое растворяется в воде, называется щёлочью (NaOH, KOH, Ca(OH)₂, NH₄OH). Все щёлочи являются основаниями, но не все основания являются щёлочами: оксид меди это основание, которое не растворяется.
Индикаторы: природные, синтетические и по запаху
Индикатор это вещество, которое меняет цвет (или запах) и так показывает, кислый раствор или щелочной.
| Индикатор | В кислоте | В основании |
|---|---|---|
| Лакмус (из лишайника) | синий → красный | красный → синий |
| Фенолфталеин | бесцветный | малиновый |
| Метилоранж | красный | жёлтый |
| Куркума | остаётся жёлтой | красновато-коричневая |
| Сок красной капусты | красный/розовый | зелёный |
Индикаторы по запаху
Некоторые вещества меняют свой запах. Лук и гвоздичное масло теряют запах в основании; ванильная эссенция тоже теряет запах в основании, но сохраняет его в кислоте. Это помогает людям, которые не различают цвета.
Жёлтое пятно от куркумы на одежде становится красновато-коричневым, если его постирать мылом, потому что мыло щелочное. Если потом промыть чистой водой, жёлтый цвет постепенно возвращается.
Химические свойства кислот и оснований
1. Кислота + металл → соль + водород
Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂↑. Если поднести горящую лучинку, газ сгорает с хлопком: это проверка на водород.
2. Основание + металл (только некоторые металлы)
2NaOH + Zn → Na₂ZnO₂ (цинкат натрия) + H₂↑. Так реагируют не все металлы.
3. Кислота + карбонат / гидрокарбонат металла → соль + вода + углекислый газ
Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂↑ и NaHCO₃ + HCl → NaCl + H₂O + CO₂↑. CO₂ мутит известковую воду (образуется CaCO₃); при избытке CO₂ она снова становится прозрачной (растворимый Ca(HCO₃)₂).
4. Кислота + основание → соль + вода (нейтрализация)
NaOH + HCl → NaCl + H₂O. Выделяется тепло, значит реакция экзотермическая.
5. Кислота + оксид металла → соль + вода
CuO + 2HCl → CuCl₂ + H₂O. Чёрный оксид меди растворяется, и раствор становится сине-зелёным. Значит, оксиды металлов основные.
6. Основание + оксид неметалла → соль + вода
Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O. Значит, оксиды неметаллов кислотные.
Что общего у всех кислот и у всех оснований?
Глюкоза и спирт тоже содержат водород, но кислотами не являются. Разница в том, что кислота даёт в воде ионы H⁺. H⁺ не может быть один, он присоединяется к молекуле воды и образует ион гидроксония H₃O⁺: HCl + H₂O → H₃O⁺ + Cl⁻.
Основание даёт в воде ионы OH⁻: NaOH → Na⁺ + OH⁻.
Доказательство с электрической цепью: лампочка загорается, если между двумя электродами разбавленная HCl или H₂SO₄, но не загорается с раствором глюкозы или спирта. Ток переносят ионы.
Зачем нужна вода: сухой газ HCl не меняет цвет сухого синего лакмуса, а влажный лакмус краснеет, потому что ионы H⁺ образуются только в воде.
Как безопасно разбавлять кислоты
Смешивание кислоты или основания с водой сильно экзотермично. Всегда лей кислоту в воду, медленно и помешивая, и никогда воду в кислоту: от тепла смесь может выплеснуться, а стекло даже треснуть.
Нейтрализация на языке ионов
H⁺ + OH⁻ → H₂O. Остальные ионы (Na⁺, Cl⁻) остаются в растворе как соль.
Главные формулы и определения
- Кислота в воде: HCl + H₂O → H₃O⁺ + Cl⁻
- Основание в воде: NaOH → Na⁺ + OH⁻
- Кислота + металл → соль + H₂
- Кислота + карбонат/гидрокарбонат → соль + H₂O + CO₂
- Кислота + основание → соль + вода (нейтрализация): H⁺ + OH⁻ → H₂O
- Оксид металла + кислота → соль + вода (оксиды металлов основные)
- Оксид неметалла + основание → соль + вода (оксиды неметаллов кислотные)
Разобранные примеры
1. Гранулы цинка добавили в разбавленную серную кислоту. Какой газ образуется и как его проверить?
Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂. Газ это водород. Поднеси горящую лучинку к отверстию пробирки: газ сгорает с хлопком.
2. Почему простокваша или маринад портят вкус в латунной или медной посуде?
В простокваше и маринаде есть кислоты. Кислоты реагируют с металлами, например с медью и цинком (в латуни), и образуются соли, которые вредны и невкусны. Поэтому такие продукты хранят в стекле, стали или керамике.
3. Соединение металла A реагирует с разбавленной HCl и даёт газ, мутящий известковую воду. В остатке раствор содержит хлорид кальция. Определи A и напиши уравнение.
Газ это CO₂, значит A это карбонат; соль CaCl₂, значит металл кальций. A = CaCO₃. CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂.
4. Образец оксида меди чёрный. Добавили разбавленную HCl. Что ты увидишь и что это доказывает?
Чёрный порошок растворяется, и раствор становится сине-зелёным (CuCl₂). CuO + 2HCl → CuCl₂ + H₂O. Раз оксид металла реагирует с кислотой и даёт соль и воду, оксиды металлов основные.
5. Почему сухой газ HCl не делает сухой синий лакмус красным?
Кислотные свойства появляются из-за ионов H⁺, а HCl даёт H⁺ только в воде. Без воды ионов H⁺ нет, поэтому цвет не меняется. Влажный лакмус краснеет.
Частые ошибки
- Считать кислотой любое соединение с водородом. В глюкозе (C₆H₁₂O₆) и спирте есть водород, но ионов H⁺ в воде они не дают.
- Добавлять воду в концентрированную кислоту. Всегда лей кислоту в воду медленно, помешивая.
- Думать, что все основания это щёлочи. Щёлочи только те основания, которые растворяются в воде.
- Писать, что фенолфталеин краснеет в кислоте. В кислоте и в нейтральном растворе он бесцветный, а малиновым становится только в основании.