Хлороводень і сірководень та їхні водні розчини

Хлороводень (гідроген хлорид, HCl) — це безбарвний газ із різким задушливим запахом. Його молярна маса становить 36,5 г/моль, тому він важчий за повітря (середня молярна маса повітря — близько 29 г/моль). У вологому повітрі хлороводень «димить»: він притягує молекули води й утворює дрібні крапельки хлоридної кислоти, які розсіюють світло й створюють ефект туману.

Розчинність у воді

Хлороводень надзвичайно добре розчиняється у воді. За температури 0 °C в одному об'ємі води розчиняється близько 500 об'ємів HCl. Цю властивість демонструє класичний дослід «фонтан»: якщо в колбу з хлороводнем упустити кілька крапель води, газ швидко розчиняється, тиск у колбі різко падає, і вода з нижньої посудини фонтаном вривається в колбу. Розчин HCl у воді називають хлоридною (соляною) кислотою. Концентрована хлоридна кислота містить 36–37 % HCl за масою.

Хімічні властивості хлоридної кислоти

Хлоридна кислота — сильна одноосновна кислота. У водному розчині вона дисоціює повністю й необоротно:

$$\text{HCl}\to {\text{H}}^{+}+{\text{Cl}}^{-}$$

Завдяки високій концентрації йонів Гідрогену метилоранж у хлоридній кислоті набуває рожевого кольору, а універсальний індикатор — червоного.

Хлоридна кислота реагує з основами (реакція нейтралізації). Розгляньмо три приклади:

• з натрій гідроксидом: HCl + NaOH → NaCl + H₂O (йонне рівняння: H⁺ + OH⁻ → H₂O)

• з купрум(ІІ) гідроксидом: 2HCl + Cu(OH)₂ → CuCl₂ + 2H₂O (блакитний осад Cu(OH)₂ розчиняється, утворюючи синьо-зелений розчин)

• з ферум(ІІІ) гідроксидом: 3HCl + Fe(OH)₃ → FeCl₃ + 3H₂O (бурий осад Fe(OH)₃ розчиняється)

Крім того, хлоридна кислота взаємодіє з металами, що стоять у ряді активності до Гідрогену (наприклад, Zn, Fe), з основними оксидами (MgO, CaO) та з солями слабших кислот, зокрема з карбонатами: CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O. З аргентум нітратом вона дає білий сирнистий осад AgCl — якісну реакцію на хлорид-йон.

Застосування

Хлоридну кислоту широко використовують у промисловості для травлення (очищення) поверхні металів від оксидів перед нанесенням покриттів, для одержання хлоридів, у харчовій і фармацевтичній промисловості. В організмі людини хлоридна кислота входить до складу шлункового соку: вона створює кисле середовище, необхідне для роботи ферментів, сприяє травленню білків і знищує бактерії, що потрапляють з їжею.

Сірководень (гідроген сульфід, H₂S) — це безбарвний газ із характерним запахом тухлих яєць. Він дуже отруйний: навіть невелика концентрація в повітрі спричиняє головний біль, нудоту, а за вищих концентрацій — параліч дихального центру й смерть. Небезпека посилюється тим, що нюх до сірководню швидко притуплюється — людина перестає відчувати запах і може залишатися в небезпечній атмосфері. Молярна маса H₂S — 34 г/моль, тому він важчий за повітря.

Утворення сірководню

У природі сірководень утворюється під час гниття білків, що містять Сульфур (наприклад, у болотах, каналізаційних мережах). Він міститься у вулканічних газах і сірководневих мінеральних джерелах (зокрема, у відомих курортах). У лабораторії сірководень добувають дією хлоридної кислоти на ферум(II) сульфід: FeS + 2HCl → FeCl₂ + H₂S↑. Утворюється він і з простих речовин під час нагрівання:

$${\text{H}}_2+\text{S}\stackrel{t}{\to }{\text{H}}_2\text{S}$$

Розчинність у воді та сульфідна кислота

Сірководень помірно розчиняється у воді: за 20 °C в одному об'ємі води розчиняється близько 2,5 об'єму H₂S. Розчин H₂S у воді називають сульфідною (сірководневою) кислотою. На відміну від хлоридної, сульфідна кислота — слабка й двоосновна. Вона дисоціює частково й ступінчасто:

$${\text{H}}_2\text{S}\rightleftarrows {\text{H}}^{+}+{\text{HS}}^{-}$$

$${\text{HS}}^{-}\rightleftarrows {\text{H}}^{+}+{\text{S}}^{2-}$$

Перший ступінь дисоціації відбувається трохи помітніше, другий — дуже слабко. Тому в розчині сульфідної кислоти переважають йони HS⁻, а йонів S²⁻ дуже мало.

Реакції з лугами: два ряди солей

Оскільки сульфідна кислота двоосновна, вона може утворювати два типи солей залежно від співвідношення реагентів:

• Якщо лугу взято в надлишку, утворюється середня сіль — натрій сульфід:

• H₂S + 2NaOH → Na₂S + 2H₂O

• Якщо сірководень у надлишку, утворюється кисла сіль — натрій гідрогенсульфід:

• H₂S + NaOH → NaHS + H₂O

Кислі солі, такі як NaHS, називають гідрогенсульфідами. Докладніше про кислі солі — у юніті «Кислі солі: утворення і перетворення на середні».

Запам'ятай: сульфідна кислота — слабка, тому вона не витісняє вуглекислий газ із карбонатів. Це важливо для розпізнавання хлоридної та сульфідної кислот.

Хлороводень і сірководень — сполуки неметалічних елементів з Гідрогеном, але їхні водні розчини мають різну силу кислот і, відповідно, різний pH. Розгляньмо порівняльну таблицю.

pH водних розчинів

pH — це міра кислотності або лужності розчину. Чим менший pH, тим більша концентрація йонів H⁺. За однакової молярної концентрації розчинів:

• хлоридна кислота (сильна) дисоціює повністю, тому дає найбільшу концентрацію H⁺ — її pH найменший

• сульфідна кислота (слабка) дисоціює частково, тому концентрація H⁺ менша, а pH більший, ніж у HCl, але все ще менший за 7

• чиста вода має pH = 7 (нейтральне середовище)

• розчин амоніаку NH₃·H₂O має pH > 7 (лужне середовище) — про це докладно в юніті «Амоніак і його водний розчин»

• метан CH₄ майже не розчиняється у воді й середовища не змінює

Отже, ряд за зростанням pH для розчинів однакової концентрації:

$$\text{HCl}<{\text{H}}_2\text{S}<{\text{H}}_2\text{O}<{\text{NH}}_3$$

Важливо: розведення кислоти водою підвищує pH (наближає до 7), але він ніколи не стає більшим за 7 — розчин залишається кислим.

Спільні та відмінні реакції

Обидві кислоти — і хлоридна, і сульфідна — реагують з лугами (NaOH, KOH) та основними оксидами (MgO, CaO). Однак є важлива відмінність: хлоридна кислота, на відміну від сульфідної, витісняє вуглекислий газ із карбонатів:

$${\text{CaCO}}_3+2\text{HCl}\to {\text{CaCl}}_2+{\text{CO}}_2\uparrow +{\text{H}}_2\text{O}$$

Сульфідна кислота з карбонатами не реагує, бо вона слабша за карбонатну кислоту H₂CO₃. Цю відмінність використовують для розпізнавання хлоридної та сульфідної кислот.

Приклад 1. Розташування розчинів за зростанням pH

Завдання: У якому ряду водні розчини H₂S, NaOH, HCl і NH₃ однакової концентрації розташовано за зростанням pH?

Варіанти відповіді:

• А) NaOH, NH₃, H₂S, HCl

• Б) HCl, H₂S, NH₃, NaOH

• В) H₂S, HCl, NH₃, NaOH

• Г) HCl, H₂S, NaOH, NH₃

Розв'язання: Спочатку поділимо розчини на кислі та лужні. Хлоридна кислота (HCl) — сильна кислота, її pH найменший. Сульфідна кислота (H₂S) — слабка кислота, pH теж менший за 7, але більший, ніж у HCl такої самої концентрації. Розчини амоніаку (NH₃·H₂O) і натрій гідроксиду — лужні, pH > 7. Натрій гідроксид — луг, він дисоціює повністю, тому його pH більший, ніж у розчину амоніаку (слабкої основи). Отже, за зростанням pH: HCl, H₂S, NH₃, NaOH.

Відповідь: Б) HCl, H₂S, NH₃, NaOH.

Чому інші варіанти неправильні:

• А) NaOH, NH₃, H₂S, HCl — це ряд за спаданням pH, а не за зростанням.

• В) H₂S, HCl, NH₃, NaOH — сульфідну кислоту помилково вважають сильнішою за хлоридну, але насправді HCl сильніша.

• Г) HCl, H₂S, NaOH, NH₃ — розчин амоніаку (слабкої основи) має менший pH, ніж розчин лугу NaOH такої самої концентрації.

Приклад 2. Спільний реагент для обох кислот

Завдання: З якою речовиною реагують і хлоридна кислота, і сірководень?

Варіанти відповіді:

• А) кальцій карбонат

• Б) натрій гідроксид

• В) мідь

• Г) натрій хлорид

Розв'язання: Хлоридна кислота реагує з лугами (NaOH), основними оксидами, металами до H₂, карбонатами. Сірководень (сульфідна кислота) реагує з лугами, утворюючи сульфіди або гідрогенсульфіди. Спільний реагент — натрій гідроксид (луг).

Відповідь: Б) натрій гідроксид.

Чому інші варіанти неправильні:

• А) кальцій карбонат — реагує лише з хлоридною кислотою (виділяється CO₂), але не реагує з сульфідною, бо вона слабша за карбонатну.

• В) мідь — стоїть у ряді активності після Гідрогену, тому не реагує з жодною з цих кислот.

• Г) натрій хлорид не реагує ні з хлоридною кислотою, ні із сірководнем.

Приклад 3. Логічні пари: реагенти → продукти

Завдання: Установіть відповідність між реагентами в розчині та продуктом реакції.

Реагенти:

• 1 H₂S + NaOH (надлишок лугу)

• 2 H₂S (надлишок) + NaOH

• 3 HCl + Cu(OH)₂

Продукти:

• А Na₂S

• Б NaHS

• В CuCl₂

• Г Na₂SO₄

• Д CuCl

Розв'язання: 1) Надлишок лугу з H₂S дає середню сіль — натрій сульфід Na₂S (1 → А). 2) Надлишок H₂S з лугом дає кислу сіль — натрій гідрогенсульфід NaHS (2 → Б). 3) Хлоридна кислота з купрум(ІІ) гідроксидом дає купрум(ІІ) хлорид CuCl₂ (3 → В).

Відповідь: 1 → А, 2 → Б, 3 → В.

Чому інші варіанти неправильні: Г) Na₂SO₄ — сульфат, а не сульфід, утворюється з сульфатної кислоти, не з сірководню. Д) CuCl — купрум(І) хлорид, але Cu(OH)₂ містить Cu²⁺, тому утворюється CuCl₂.

Приклад 4. Істинність тверджень

Завдання: Яке з тверджень є правильним?

I. Сульфідна кислота, як і хлоридна, сильна.

II. Хлороводень розчиняється у воді значно краще, ніж сірководень.

Варіанти відповіді:

• А) правильне лише I

• Б) правильне лише II

• В) обидва правильні

• Г) обидва неправильні

Розв'язання: Твердження I — хибне. Сульфідна кислота (H₂S) — слабка, вона дисоціює частково й ступінчасто, на відміну від хлоридної, яка дисоціює повністю. Твердження II — істинне. Хлороводень розчиняється у воді в пропорції близько 500 : 1 (за об'ємом за 0 °C), а сірководень — лише близько 2,5 : 1 (за 20 °C).

Відповідь: Б) правильне лише II.

• Вважати сульфідну (сірководневу) кислоту сильною за аналогією з хлоридною. Насправді H₂S — слабка кислота, вона дисоціює частково й ступінчасто, тому її pH за однакової концентрації вищий, ніж у HCl.

• Записувати дисоціацію H₂S одним незворотним рівнянням H₂S → 2H⁺ + S²⁻ замість ступінчастої оборотної. Правильно: H₂S ⇄ H⁺ + HS⁻ (перший ступінь) і HS⁻ ⇄ H⁺ + S²⁻ (другий ступінь, дуже слабкий).

• Забувати, що двоосновна H₂S з лугом дає середню (Na₂S) або кислу (NaHS) сіль залежно від співвідношення реагентів. Надлишок лугу → Na₂S; надлишок H₂S → NaHS.

• Плутати назви: хлороводень (газ HCl) і хлоридна кислота (розчин HCl у воді); сірководень (газ H₂S) і сульфідна кислота (розчин H₂S у воді). Також плутають сульфід S²⁻, сульфіт SO₃²⁻ і сульфат SO₄²⁻ — це різні йони з різними властивостями.

• Вважати кислими розчини всіх сполук неметалічних елементів з Гідрогеном. Розчин амоніаку (NH₃·H₂O) має лужне середовище (pH > 7), бо амоніак — основа, а не кислота.

• Вважати, що після сильного розведення кислоти водою pH може стати більшим за 7. Розведення наближає pH до 7, але ніколи не перевищує 7 — розчин залишається кислим.

У демоваріанті НМТ 2026 року завдання 5 (вибір однієї відповіді з чотирьох, 1 бал; теми 1.6 і 2.1.1) перевіряє pH водних розчинів сполук неметалічних елементів з Гідрогеном. У ньому пропонують розташувати розчини HCl, H₂S і NH₃ однакової концентрації за зростанням pH або визначити, який із них має найменший чи найбільший pH.

Завдання 9 демоваріанта 2026 (вибір однієї відповіді, 1 бал; тема 2.1.1) стосується взаємодії газоподібних сполук неметалічних елементів з Гідрогеном. У ньому можуть запитувати, з яким реагентом взаємодіє хлороводень або сірководень.

Програма НМТ (тема 2.1.1) вимагає вміти:

• складати рівняння реакцій водних розчинів HCl з основами

• складати рівняння реакцій H₂S з лугами

• порівнювати й характеризувати водні розчини HCl, H₂S і NH₃

Забарвлень індикаторів у довідкових матеріалах НМТ немає, тому їх треба знати напам'ять: метилоранж у кислому середовищі рожевий, у нейтральному — оранжевий, у лужному — жовтий; фенолфталеїн у кислому й нейтральному середовищі безбарвний, а в лужному — малиновий. У демоваріанті 2026 року забарвлення метилоранжу перевіряє завдання 20.

Стратегія розв'язання

Коли в завданні просять розташувати розчини за зростанням pH, спершу поділи їх на кислі (pH < 7) і лужні (pH > 7). Серед кислих першим постав розчин сильної кислоти (найменший pH), потім — слабкої. Лужні розчини мають pH > 7, тому вони в ряду за зростанням pH будуть після кислих і води.

• HCl і H₂S — безбарвні гази, важчі за повітря; H₂S дуже отруйний і пахне тухлими яйцями.

• HCl дуже добре розчиняється у воді (≈ 500 : 1 за 0 °C), H₂S — помірно (≈ 2,5 : 1 за 20 °C).

• Хлоридна кислота — сильна одноосновна (HCl → H⁺ + Cl⁻); сульфідна — слабка двоосновна (H₂S ⇄ H⁺ + HS⁻ ⇄ 2H⁺ + S²⁻).

• HCl + NaOH → NaCl + H₂O; H₂S + 2NaOH → Na₂S + 2H₂O (надлишок лугу); H₂S + NaOH → NaHS + H₂O (надлишок H₂S).

• pH: розчин HCl < розчин H₂S < 7 < розчин NH₃.

• Обидві кислоти реагують з лугами; лише хлоридна витісняє CO₂ з карбонатів.