Кислоты

Если мы сравним формулы различных кислот, то заметим, что все они имеют одну и ту же составную часть – водород. Связанные с водородом атомы называются кислотным остатком.

В водных растворах кислот водород всегда присутствует в виде положительно заряженного иона с зарядом +1 (Н⁺). Отрицательно заряженные ионы в растворах кислот представлены в виде отрицательно заряженных кислотных остатков, заряды которых по абсолютной величине равны числу ионов водорода.

Следующие расчеты подтверждают, что заряды кислотных остатков по абсолютной величине всегда равны числу ионов водорода.

На основе этой закономерности по формуле кислоты всегда можно вычислить заряд кислотного остатка.

Поскольку в химии все отрицательно заряженные ионы называются анионами, это название используется и для кислотных остатков. Поэтому вместо длинного названия «отрицательно заряженные ионы кислотных остатков» применяется короткое «анионы кислот».

В зависимости от присутствия или отсутствия кислорода, кислоты делятся на кислородсодержащие и бескислородные. К кислородсодержащим относятся азотная, угольная, серная и фосфорная кислоты. Бескислородной является хлористоводородная, или соляная, кислота.

По силе кислоты делятся на сильные, средние и слабые. О силе кислот вы узнаете в следующих курсах химии. А сейчас полезно запомнить, что серная, азотная и соляная кислоты относятся к сильным кислотам (их свойства рассмотрены в параграфе 1.5). Из слабых кислот нужно запомнить угольную кислоту.

Каждой кислородсодержащей кислоте соответствует оксид, называемый кислотным оксидом. В кислотных оксидах и в кислотах степени окисления образующих их элементов одинаковы.

Проверим это на примере серной кислоты (H₂SO₄) и соответствующем ей триоксиде серы (SO₃). Напишем над символами элементов известные значения с. о:

Зная, что сумма с. о. атомов элементов в сложном веществе равна нулю, найдем неизвестное положительное значение с. о. атома элемента

и запишем его над символом серы:

Следующий список кислот и соответствующих им оксидов подтверждает, что степени окисления атомов элементов, образующих кислоты и оксиды, всегда одни и те же:

Кислотные оксиды – это в основном оксиды неметаллов.

Для распознавания кислот используются вещества, которые называются индикаторами (от лат. indicare – показывать, указывать, устанавливать). Их особенность состоит в том, что в кислотах они изменяют свою окраску. Изменение цвета индикатора показывает, что исследуемое вещество относится к кислотам или содержит кислоту. Одним из таких индикаторов является лакмус. Он может быть в виде раствора или полоски бумаги.

В прежние времена индикаторы получали только из растений. Они употреблялись как красящие вещества и были открыты в начале XVII века благодаря счастливому случаю. Люди заметили, что упавшая в муравейник фиолетовая фиалка быстро окрашивается в красный цвет. В 1633 году были описаны цветы, которые в муравейнике меняли свою окраску. Создатель современной химии Роберт Бойль первым сделал вытяжки из цветочных лепестков и применил их в качестве индикаторов.

Замечательными индикаторами являются вытяжки из лепестков ярких цветов (ирисов, тюльпанов, анютиных глазок, фиалок). Индикаторами могут служить также соки овощей (красной капусты, свеклы, моркови) и фруктов (черной смородины, аронии, черники, малины, вишни). Все эти соки в кислотах приобретают интенсивный красный цвет.

Кислотность растворов оценивается особой величиной – рН, которая показывает, сильнокислым или слабокислым является раствор. Само обозначение величины указывает на то, что основой оценки кислотности является водород кислоты, а точнее – содержание ионов водорода в растворе. Чем более кислый раствор, тем меньше значение рН.

Сильнокислыми считаются растворы, значения рН которых находятся в пределах от 0 до 3. У слабокислых растворов рН расположен в промежутке от 3 до 7. При любой кислотности раствора значение рН всегда меньше 7 (рН < 7).

Чистая дождевая вода – слабокислая (рН ≈ 5,5), а желудочный сок – сильнокислый (рН = 1,7). рН лимонного сока приблизительно равен 2, а яблочного сока – 3. Таким образом, желудочный сок человека более кислый, чем яблочный и лимонный соки. Значения рН некоторых жидкостей приведены в табл. 8.

Кислотность почвы существенно влияет на рост растений. В более кислых почвах нуждаются овес и картофель. Для ржи благоприятно значение рН в промежутке 5,5–7,0, а для моркови – 6,0–7,0.

Таблица 8. Значения рН некоторых жидкостей

Для оценки состояния среды обитания важно знать значение рН природных вод. Водные животные поразному переносят повышение кислотности воды. Самыми чувствительными являются раки и креветки. Увеличение кислотности воды даже на одну единицу может стать причиной их гибели. Более устойчивыми в этом отношении являются улитки. Из рыб самые чувствительные к кислотности воды – лосось и речная форель, а самый устойчивый – угорь.

Для приблизительного определения значения рН используется универсальный индикатор, который представляет собой набор различных индикаторов. Его цвет изменяется в зависимости от значений рН раствора. В кислой среде цвета индикатора изменяются от красного до желтого.

Для быстрого и точного определения значения рН используются цифровые измерительные приборы – рН-метры, позволяющие получить численное значение рН.

Кислотные оксиды, реагируя с водой, образуют кислоты.

Так можно получить серную, сернистую, азотную, фосфорную и угольную кислоты. Если сжечь серу в плотно закрытой колбе, образуется диоксид серы (SO₂) с острым запахом. Как кислотный оксид SO₂ легко реагирует с водой, образуя сернистую кислоту:

Об образовании кислоты можно судить по изменению окраски раствора лакмуса до красного цвета. Аналогично образуется угольная кислота:

При взаимодействии триоксида серы с водой образуется серная кислота:

На этой реакции основано промышленное получение серной кислоты.

Какими бы современными и эффективными ни были очистительные сооружения, при производстве серной кислоты в воздух все равно попадает диоксид серы. При горении любого вида топлива в атмосферу выбрасывается огромное количество диоксида углерода. А если топливо содержит примеси, то к диоксиду углерода добавляется диоксид азота. Много газов попадает в воздух из выхлопа автомобилей.

Все эти кислотные оксиды реагируют с влагой воздуха и дождевой водой, в результате чего образуются кислоты. Выпавшая на землю дождевая вода оказывается настолько кислой, что речь уже идет о кислотных дождях. Когда рН кислотного дождя превосходит предел выносливости растений и животных, природе нашей планеты наносится непоправимый вред. Особенно опасны кислотные дожди для обитателей водоемов.

Но не все кислотные оксиды реагируют с водой. Оксид кремния (SiO₂), соответствующий кремниевой кислоте (H₄SiO₄), является главной составной частью песка. Поскольку песок с водой не реагирует, то и кремниевую кислоту таким способом получить нельзя.

Общие свойства кислот обусловлены их сходным химическим составом. Так, все кислоты, растворенные в воде, имеют кислый вкус и одинаково меняют окраску индикаторов. По агрегатному состоянию кислоты могут быть как жидкостями (соляная, серная и азотная кислоты), так и твердыми веществами (фосфорная, борная и лимонная кислоты).

Кислоты обладают разъедающим действием. Особенно опасны сильные кислоты. Например, концентрированная серная кислота разъедает древесину, материю, бумагу, сахар и другие вещества и материалы. Образующееся при этом почернение указывает на содержание углерода. При обугливании сахара бурно выделяется углекислый газ, поэтому реакционная смесь быстро вздувается.

При разбавлении кислот необходимо соблюдать правила безопасности. Чтобы кислота не разбрызгивалась, нужно тонкой струйкой вливать кислоту в воду, а не наоборот. Если плотность кислоты больше плотности воды, она оседает на дно сосуда и смешивается с водой, образуя разбавленную кислоту. Необходимо учитывать, что при растворении кислоты выделяется много тепла и раствор становится горячим. Поэтому добавлять кислоту в воду нужно маленькими порциями.

Одним из важнейших свойств кислот является их взаимодействие с металлами. Некоторые металлы настолько пассивны, что с разбавленными кислотами не реагируют. Для определения активности металлов существует электрохимический ряд напряжений металлов.

В электрохимическом ряду напряжений металлов активные металлы находятся слева от водорода, а малоактивные – справа. Все металлы слева от водорода взаимодействуют с разбавленными кислотами, выделяя водород. Например, в реакции между цинком и разбавленной серной кислотой цинк замещает в кислоте ион водорода, а водород как продукт реакции выделяется в виде газа. В уравнениях выделение газа обозначается направленной вверх стрелкой:

Реакция взаимодействия цинка с разбавленными кислотами обычно используется для получения водорода в лабораториях.

Поскольку в электрохимическом ряду железо тоже находится слева от водорода, то при реакции с разбавленной хлористоводородной (соляной) кислотой оно вытесняет из нее ион водорода. Одним из продуктов реакции также является водород:

Металлы, стоящие в электрохимическом ряду справа от водорода, с разбавленными кислотами не взаимодействуют. Например, между медью и разбавленной соляной кислотой реакции не происходит:

Cu + HCl → реакции не происходит

Исключение из этого правила составляет азотная кислота. При ее взаимодействии с металлами водород не выделяется. Если налить на медные стружки крепкую (концентрированную) азотную кислоту, выделится ядовитый газ – диоксид азота (NO₂). При этом из-за образования соли меди раствор окрасится в зеленый цвет.

Реакции между металлами и кислотами являются реакциями замещения. Так как степень окисления простого вещества всегда равна нулю, в ходе реакции замещения происходит изменение величины с. о. Рассмотрим реакцию между цинком и разбавленной серной кислотой:

Цинк, являясь в этой реакции восстановителем, окисляется, поэтому его с. о. увеличивается. Ионы водорода, выступающие в качестве окислителя, восстанавливаются, поэтому их с. о. уменьшается.

Аналогично протекает реакция между железом и разбавленной хлористоводородной кислотой:

В реакциях между металлами и кислотами металлы всегда являются восстановителями и под действием кислот окисляются. В противоположность им ионы водорода выступают как окислители и в результате реакции восстанавливаются. Электрохимический ряд напряжений металлов действителен только для реакций замещения.