Повна версія

Головна arrow Природознавство arrow ЗАГАЛЬНА ХІМІЯ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

КЛАСИ КИСЛОТ І ОСНОВ

У хімії втратила значення вже давно склалася класифікація речовин на оксиди, кислоти, основи і солі. Слід зауважити, що ця класифікація не цілком послідовна, так як перший клас (оксиди) виділено серед інших речовин тільки за складом, а решта - за властивостями.

Уявлення про кислотах як особливого різновиду речовин виникло вже в давнину, і причиною цього є кислий смак, властивий кислотам і різним продуктам харчування, які містять кислоти (плоди, листя рослин). Всі ці кислоти органічні. Оцтова кислота (оцет) згадується в античних творах. Сильні мінеральні кислоти сірчана та азотна відомі в Європі з початку XIV в. У XVII ст. німецьким хіміком і алхіміком І. Р. Глаубер (1604-1670) були розроблені способи отримання концентрованих сірчаної, азотної і соляної кислот.

Підстави, або лугу, спочатку були відомі за властивостями деревної золи, з якої згодом стали отримувати поташ К 2 С0 3 , що виявляє досить сильні основні властивості. Природну соду Na 2 C0 3 в Стародавньому Єгипті використовували при муміфікації тіл. Гашене вапно Са (ОН) 2 згадується вже в творах античного часу. Сутність підстав стала з'ясовуватися після виявлення їх реакцій з кислотами з утворенням солей. Ці реакції вперше застосовував Глаубер.

Незважаючи на розширення уявлень про речовини, що відносяться до кислот в сучасній хімії, раніше склалося поняття про кислотах як речовинах, що утворюють в розчинах катіони водню, зберігає своє значення. Це пояснюється корінним відмінністю катіона Н + від всіх інших іонів. Катіон Н + позбавлений електронів, являє собою ядерну частку протон з радіусом, в ~ 10 5 разів меншим радіусів інших іонів. Такий іон не може залишатися вільним в оточенні інших молекул або іонів. Він приєднується до них, притягаючи їх електронні пари, але при цьому зберігає здатність з дуже великою швидкістю переміщатися, «перескакувати» до оточуючих молекул. У водному середовищі протон кислоти з'єднується з молекулою води, утворюючи Гидроксоній Н 3 0 + . Саме цей іон для стислості записується як іон водню Н + . Присутністю гідроксо- ня зумовлена кисле середовище розчинів кислот і їх кислий смак.

Протон, приєднуючись до різних молекул, сильно підвищує їх хімічну активність. Інакше кажучи, іон водню є потужним каталізатором в найрізноманітніших реакціях. Каталітична дія кислот широко використовується як в неорганічної, так і в органічній хімії.

Кислотами називаються водородсодержащие речовини з молекулярною структурою, що створюють в розчинах кисле середовище.

Молекулярна природа кислот проявляється в їх фізичні властивості. Кислоти бувають газоподібними (НС1, H 2 S), рідкими (H 2 S0 4 , СН3СООН) або легкоплавкими кристалічними речовинами (Н 3 Р0 4 ). У деяких випадках можуть бути і відхилення від типових властивостей (кремнієва кислота - полімерне речовина).

З цілої низки причин кислоти виявилися практично дуже важливими речовинами з найперших кроків хімії як науки. Треба враховувати, що це речовини, які надають сильне нищівну силу на живі тканини. Концентровані кислоти при попаданні на шкіру швидко викликають хімічні опіки, а при більш тривалому впливі глибоко вражають тканини. Потрапили на тіло кислоти необхідно негайно змивати водою. У разі сірчаної кислоти її рекомендується швидко видалити дрантям, а залишки кілька хвилин змивати сильним струменем води. Остаточне видалення кислоти проводиться промиванням уражених ділянок шкіри слабкими підставами - зазвичай розчином питної соди. Багато кислоти являють собою леткі речовини. Їх пари можуть потрапляти в організм через легені, вражаючи в першу чергу легеневу тканину. Працювати з летючими кислотами дозволяється тільки в провітрюваних приміщеннях. Сильні кислоти, віддаючи величезну кількість протонів, про- тонують білки і ліпіди клітин, викликаючи їх гідроліз і подальше руйнування клітин. Початкова стадія такого впливу і проявляється у вигляді опіків. При розведенні кислот водою до масової частки 1% і нижче вони втрачають своє роз'їдаюче дію на живі тканини.

Найважливішими характеристиками кислот, що визначають їх практичне застосування, є сила, стійкість і летючість. У табл. 14.1 охарактеризовані найбільш відомі неорганічні кислоти, а також дві органічні кислоти.

Серед кислот багато нестійких речовин. У розчині вугільної кислоти більше 99% її розпадається на вуглекислий газ і воду:

Загальні хімічні властивості кислот визначаються наявністю рухомих атомів водню, які беруть участь в реакціях заміщення та обміну. Продукти заміщення та обміну водню на метал називаються солями. Заміщення водню йде при реакціях кислот з металами, що стоять в електрохімічному ряду лівіше водню:

Таблиця 14.1

Деякі практично важливі кислоти

Назва

Формула

характеристика

Зміст у водному розчині,%, не більше

Назва

солей

Соляна (хлоридна)

НС1

С, у, л

40

хлориди

іодоводородной

HI

С, у, л

68

йодиди

бромоводородной

НВг

С, у, л

64

броміди

сірчана

H 2 so 4

С, у, нл

до 100

сульфати

сірководнева

H 2 S

сл, у, л

0,5

сульфіди

азотна

1IN0 3

с, у, л

до 100

нітрати

фосфорна

(Ортофосфорна)

Н 3 Р0 4

ср, у, нл

до 85

фосфати

вугільна

Н 2 СОз

сл, ну, л

0,17

карбонати

борна

H3B03

сл, у, нл

5

борати

оцтова

CH3COOH

сл, у, л

до 100

ацетати

лимонна

H 3 c 6 H 5 o 7

ср, у, нл

59

цитрати

Примітка : з - сильна, сл - слабка, ср - середньої сили, у - стійка, ну - нестійка, л - летюча, нл - нелетка.

Обмін водню йде при реакціях кислот з підставами, основними оксидами і солями слабших кислот:

279

В обмінних реакціях з солями сильніша кислота витісняє слабшу.

Реакції солей з кислотами часто використовуються для отримання слабких кислот. Для цієї мети особливо підходить сірчана кислота, що має рідкісне поєднання властивостей - сильна, стійка і нелетка.

7 J J

Сильні кислоти також можуть заміщати одна іншу в солях. При цьому діє наступне правило.

При нагріванні менш леткі кислоти заміщають в солях більш леткі.

При нагріванні хлориду натрію з концентрованою сірчаною кислотою виділяється хлороводень (сильна кислота) у вигляді газу:

Кожна кислота утворює сімейство солей з різними металами. Частина молекули кислоти, що переходить до складу солі, називається кислотним залишком. Назви залишків бінарних кислот мають закінчення «-ід» (НС1 - хлорид). У кисневмісних кислот залишки мають закінчення «-ат» або «-ит» (H 2 S0 4 - сульфат , H 2 S0 3 - сульфіт). Залишки органічних кислот можуть мати традиційні назви. Як випливає з табл. 14.1, залишок оцтової кислоти має назву ацетат , а залишок лимонної кислоти - цитрат. На атоми металу можуть заміщатися один, два, три і навіть більше атомів водню кислоти. Відповідні кислоти називаються одноосновними, двохосновні, триосновними і т.д.

Багатоосновні кислоти іонізуються і нейтралізуються поступово, а їх солі так само поступово піддаються гідролізу.

Приклад 14.1. До 0,1 л розчину ортофосфорної кислоти з концентрацією 0,2 моль / л додали 0,2 л розчину гідроксиду натрію з концентрацією 0,14 моль / л. Розрахуйте концентрації речовин в отриманому розчині.

Рішення. При змішуванні багатоосновної кислоти і луги йдуть ступінчасті реакції нейтралізації. Спочатку утворюються кислі солі, а при достатній кількості лугу - середня сіль. Знайдемо вихідні кількості речовини кислоти і луги:

Напишемо послідовно йдуть реакції нейтралізації і кількості речовини під формулами:

Після першої стадії нейтралізації залишилася луг, яка буде реагувати з однозаміщені сіллю на другій стадії:

Луги виявилося недостатньо для завершення другої стадії нейтралізації. Отже, отриманий розчин об'ємом 0,3 л буде містити одночасно однозаміщені і двохзаміщені солі. Знайдемо їх концентрації:

Кислоти класифікують за складом на безкисневі (бінарні), кисень, органічні та комплексні. У найбільш часто використовуваних бінарних кислотах водень пов'язаний з атомами галогенів або сірки. У більшості інших кислот, крім комплексних, рухливий водень пов'язаний з киснем. Згідно з уявленнями А. Лавуазьє наявність кисню в речовині вважалося обов'язковою умовою появи кислотних властивостей. Звідси і назва кисень. Важливо звернути увагу на те, що водень, пов'язаний з киснем, стає рухомим при наявності в молекулі іншого атома кисню, приєднаного подвійним зв'язком. У молекулі води у атома кисню немає подвійного зв'язку, і вода проявляє лише надзвичайно слабку кислотність.

Під кислотністю (основностью) мають на увазі прояв речовинами кислотно-основних властивостей.

Перейдемо до розгляду класу підстав. Головна ознака, за якою різні речовини включаються в клас підстав, - це здатність нейтралізувати кислоти з утворенням солей. Сутність їх дії полягає у зв'язуванні рухомого водню кислот. Властивості речовини як підстави проявляються в створенні лужного середовища в розчині. Назва середовища походить від лугу, тобто сильного підстави.

Підставами називаються гідроксиди металів, а також інші речовини, що реагують з кислотами з утворенням солей і створюють в розчині лужне середовище.

З визначення очевидно, що речовини класу підстав (табл. 14.2) не відрізняються такою єдністю будови і складу, як кислоти. Сюди відносяться, крім гідроксидів металів, аміак, органічні аміни і ін. Оксиди металів не включаються в клас підстав, тому що вони реагують з водою, перетворюючись в гідроксиди.

Основні властивості можуть виявляти речовини різних класів. Приготувавши розчини соди Na 2 C0 3 і питної соди NaHC0 3 і додавши індикатор, ми переконалися б, що обидві ці солі створюють лужне середовище.

Таблиця 14.2

Деякі практично важливі підстави

Назва

Формула

характеристика

Зміст у водному розчині,%, не більше

Гідроксид натрію, їдкий натр

NaOH

з

52

Гідроксид калію, їдкий калій

КОН

з

53

Гідроксид кальцію, гашене вапно

Са (ОН) 2

з

0,16

Аміак (розчин у воді - нашатирний спирт)

NH 3

сл, л

25

етиламін

C 2 H 5 NH 2

сл, л

до 100

етилендиамін

C 2 H 4 (NH 2 ) 2

сл, л

до 100

Підстави реагують з кислотами, утворюючи сіль і воду або тільки сіль:

Характерною групою атомів в структурі підстав є гідроксид-іон ОН - . З'єднуючись з протоном кислоти, гідроксид-іон перетворюється в воду. Але протон кислоти може зв'язуватися не тільки з гідроксід- іоном, а й з азотом аміаку, киснем оксидів металів та ін. Тому клас підстав так різнорідний. Число атомів водню, які дана підстава може приєднати від кислоти, називається кислотністю. Бувають однокіслотние, двухкіслотние і т.д. основи. Кислотність підстав не слід плутати з кислотністю як наявністю у речовин кислотних властивостей.

До сильних підстав, званим також лугами, відносяться гідроксиди елементів групи IA від літію до франція і групи ПА від кальцію до радію. Гідроксиди інших металів є слабкими і практично не розкладаються у воді підставами. Лужне середовище в розчинах підстав виявляється не тільки забарвленням індикаторів, а й відчуттям милкості. Це пояснюється дією підстав на білки шкіри. Луги в міцних розчинах виробляють роз'їдаюче дію, так як швидко руйнують білки і жири клітин. Вовняні тканини значно швидше руйнуються лугами, ніж кислотами. Концентровані розчини лугів не менше небезпечні, ніж кислоти.

Гідроксиди металів реагують не тільки з кислотами, але і з кислотними оксидами:

Інший різновид підстав - аміак і органічні аміни - реагують тільки з кислотами:

Сильними основами є також продукти заміщення водню на метал в водневих з'єднаннях, що не відносяться до кислот. Аміак містить водень, але не є кислотою. Проте він реагує з натрієм, утворюючи амід натрію '.

(t над знаком рівності означає проведення реакції при підвищеній температурі).

Природно, що амід натрію пов'язує водень кислот і навіть води і виявляється сильнішим підставою, ніж звичайна луг:

Крім лугів в якості підстав часто застосовують солі, особливо карбонат натрію (соду) Na 2 C0 3 і гідрокарбонат натрію (питну соду) NaHC0 3 . Основні властивості карбонату натрію сильніше, ніж у аміаку, а питної соди - слабше. Розчин карбонату натрію на відміну від лугів не робить небезпечного роз'їдає дії на шкіру, а дія бікарбонату натрію настільки м'яке, що його можна застосовувати для полоскання порожнини рота і горла. Гідрокарбонат натрію завжди міститься в крові і створює слабку лужну середу.

 
<<   ЗМІСТ   >>