Оксиды, кислоты, основания и соли: классы и свойства

Чайник после пары месяцев кипячения изнутри белеет: это накипь, в основном карбонат кальция $CaC{O}_3$. Магазинное средство от неё стоит прилично, а пакетик лимонной кислоты — копейки, и работает: кислота разрушает карбонат, налёт растворяется, пузырьки углекислого газа уходят в воздух. Чтобы понять, почему одна кислота справляется там, где вода бессильна, нужен один ключ — классы неорганических веществ.

Четыре класса: кто есть кто

Оксид#

два элемента, один из которых кислород: $C{O}_2$, $CaO$, ржавчина $F{e}_2{O}_3$

Кислота#

отдаёт в раствор ионы водорода $H^{+}$: соляная $HCl$, серная $H_{2}S{O}_4$, уксусная, лимонная

Основание#

содержит гидроксид-группу: щёлочь $NaOH$, гашёная известь $Ca(OH{)}_2$

Соль#

металл плюс кислотный остаток: поваренная $NaCl$, сода $NaHC{O}_3$, та же накипь $CaC{O}_3$

Кислоты: знакомимся поближе

Кислоты окружают тебя чаще, чем кажется. В желудке всегда есть соляная кислота: примерно 0,4-0,5% и pH около 1,5-2 — она расщепляет белки и убивает микробов. Лимонный сок держит pH около 2,4, столовый уксус — около 2,5-3, а 70-процентная уксусная эссенция разъедает кожу, поэтому её обязательно разбавляют. Серная кислота живёт в аккумуляторе автомобиля, ортофосфорная — в стакане колы, куда её добавляют для кислинки. Разные по силе и концентрации, все они отдают раствору ионы водорода — в этом их общий знак.

По составу кислоты делят на бескислородные — соляная HCl и сероводородная H₂S, и кислородсодержащие — серная H₂SO₄, азотная HNO₃, угольная H₂CO₃. Делают их и по силе: сильная кислота отдаёт водород практически полностью, слабая — лишь частично. Поэтому уксус в салате — приправа, а такая же доля соляной кислоты — ожог: соляная сильная и отдаёт ионы водорода охотнее.

Индикаторы и pH: пять секунд на диагноз

Отличить кислоту от основания можно без приборов — по индикатору, краске, меняющей цвет от среды. Лакмус в кислоте краснеет, в щёлочи синеет. Фенолфталеин в кислоте бесцветен, а в щёлочи вспыхивает малиновым. Смешаешь кислоту с основанием — они гасят друг друга: $HCl+NaOH=NaCl+H_{2}O$. Это нейтрализация, на ней устроены все средства от изжоги. Шкала pH держит всё вместе: у чистой воды pH равен 7, у лимонного сока — около 2, у раствора соды — около 9.

Нейтрализация — рабочая лошадка всех четырёх классов. Кислота встречает основание — получается соль и вода: $HCl+NaOH=NaCl+H_{2}O$. То же происходит, когда гашёной известью Ca(OH)₂ раскисляют кислую почву на даче: известь связывает лишнюю кислотность, и урожай растёт лучше. А изжога — это нейтрализация наоборот: кислоты оказалось больше, чем нужно, и её гасят слабой щёлочью.

Основания: от щелочей до осадков

Основание узнают по гидроксид-группе OH в конце формулы. Растворимые основания называют щёлочами: NaOH и KOH на ощупь скользкие, как мыльный раствор, — они разъедают кожу, поэтому работают с ними в перчатках. Гидроксид натрия — начинка средств для прочистки труб: волосы и жир превращает в растворимую массу. Гашёная известь Ca(OH)₂ белилит стволы деревьев и стены. А вот нерастворимые основания — голубой осадок Cu(OH)₂ и бурый Fe(OH)₃ — ничего не разъедают: с водой они почти не взаимодействуют.

Отдельный закон бытовой химии: никогда не смешивай средства разных типов. Средство с хлором плюс кислотный очиститель выделяют ядовитый газ — хлор; «больше химии — чище» не работает, некоторые сочетания опаснее самой грязи. По той же причине после кислотного средства поверхность промывают водой и лишь потом берут щелочное, а работу ведут при открытом окне.

Ты заливаешь соду уксусом для выпечки — смесь шипит и пузырится: щёлочь и кислота нейтрализуют друг друга, выделяется углекислый газ, который поднимает тесто. Тем же способом чистят слив раковины: сода плюс уксус разъедают жировую пробку. Химия четырёх классов работает прямо у тебя на кухне.

• Накипь в чашке и лимонная кислота: карбонат кальция разрушается, пузырьки CO₂ всплывают — кислота + карбонат дают соль, воду и углекислый газ.
• Цинк и соляная кислота: гранула шипит, вокруг неё облако пузырьков — металл левее водорода вытесняет его из кислоты.
• Чёрный порошок оксида меди CuO и серная кислота: порошок исчезает, раствор синеет — родился сульфат меди.
• Сода и уксус: бурная пена из CO₂ поднимает тесто — та же реакция кислоты с карбонатом.
• Уксус против ржавчины: оксид железа реагирует с кислотой, и гвоздь после промывки светлеет.

Организм следит за pH строже, чем химик за опытом. Кровь держит pH в узком коридоре 7,35-7,45: смещение на десятые доли сбивает работу ферментов и опасно для жизни. Выдыхаемый углекислый газ и буферные растворы крови выравнивают кислотность круглосуточно — так химия четырёх классов работает прямо в твоих сосудах.

Кислотность видна и в масштабе планеты. Обычная дождевая вода чуть кисловата — pH около 5,6 из-за растворённого углекислого газа. Но над промышленными городами в воздух уходят оксиды серы и азота от заводов и машин: в каплях они превращаются в серную и азотную кислоты, и pH дождя падает до 4 и ниже. Такой дождь подкисляет почву и озёра, разрушает известняк — от старых статуй и памятников поверхность со временем становится рыхлой. Поэтому за выбросами следят, а дымовые газы очищают, прежде чем выпускать в небо.

Лакмус — краска растительного происхождения: её получают из лишайников, и этим индикатором пользуются уже несколько столетий. Универсальная индикаторная бумага пропитана смесью красок и показывает не просто «кислота или щёлочь», а примерное число по шкале: сравниваешь цвет полоски со шкалой на упаковке и читаешь pH. Только учти, что бумага даёт прикидку с точностью до единицы, а точные значения измеряют pH-метром.

Соли — самый многочисленный класс, и ты видишь их каждый день: поваренная NaCl на столе, сода в шкафу, мел CaCO₃ на школьной доске, фосфаты в удобрениях. Многие соли нерастворимы: накипь и мел построены из карбоната кальция, поэтому водопроводный нагреватель зарастает белым камнем. Растворимые соли дают в воде нейтральный или слабощелочной раствор — поэтому содовый раствор и показывает pH около 9.

Есть и вещества-двуликие: оксиды и гидроксиды цинка и алюминия ведут себя и как кислоты, и как основания — их называют амфотерными. ZnO реагирует и с кислотой, и со щёлочью, оба раза давая соль. Поэтому алюминиевую посуду берегут и от кислого маринада, и от содового раствора: с обеих сторон уязвима плёнка оксида на поверхности металла.

Кислотный остаток#

часть кислоты без водорода: Cl, SO₄, NO₃, CO₃; в соли он встаёт после металла

Щёлочь#

растворимое основание: NaOH, KOH, Ca(OH)₂ — скользкие и опасные в концентрате

Основный оксид#

оксид металла, который с кислотой даёт соль и воду: CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O

Буферный раствор#

смесь, которая держит pH примерно постоянным при добавлении кислоты или щёлочи

Амфотерный#

о соединении, которое проявляет свойства и кислоты, и основания

Электролит#

раствор или расплав, проводящий ток через ионы: таковы растворы кислот, щелочей и солей

Подсказка: клавиши J — следующая тема, K — предыдущая, на телефоне: свайп влево/вправо — соседняя тема