В уроке 16 «Кислоты и основания» из курса «Химия для чайников» дадим определение кислотам и основаниям, рассмотрим процесс их диссоциации в водном растворе и различия слабых кислот и оснований от сильных. Кроме того, вы узнаете самые распространенные кислоты и основания. Основы химии, которые вы должны знать перед прочтением данного урока, содержатся в уроке 9 «Ионы в водном растворе».
Что такое кислота и основание?
Для тех, кто только к нам присоединился напоминаю, что ионы — это все те же атомы веществ, просто с бОльшим или меньшим количеством электронов относительно числа протонов. Для кислот и оснований наиболее популярны следующие определения:
Кислота — это вещество, которое при добавлении к воде повышает концентрацию ионов водорода [H + ].
Основание — это вещество, которое при добавлении к воде повышает концентрацию гидроксидных ионов [OH — ]. Забегая вперед, скажу, что основанием также называют вещество, которое забирает ионы водорода [H + ].
Если данные определения вам не понятны, то скорее всего вам нужно вспомнить, что такое простые и сложные ионы. Дальше все будет проще, ведь сложные лишь определения!
Диссоциация кислот
В дальнейшем не будем указывать сокращение (водн.), означающее что ион гидратирован, поскольку в водном растворе любой ион гидратирован. Кислоты H2CO3, H2SO3 и H2SO4 диссоциируют в водном растворе с высвобождением двух протонов. Это происходит не в одну, а в две стадии:
Каждая фосфорсодержащая кислота высвобождает в водном растворе три протона, и соответственно осуществляется это в 3 стадии:
Органические кислоты, такие как уксусная и муравьиная кислота, дают H + из своих карбоксигрупп –COOH.
Диссоциация оснований
Диссоциация оснований, содержащие OH-группы (гидроксигруппы), например LiOH или Ca(OH)2, дает в водный раствор гидроксидные ионы OH — :
Хотя у аммиака отсутствуют OH — ионы, тем не менее NH3 является основанием, поскольку он образует гидроксидные ионы при реакции с молекулами воды:
Надеюсь урок 16 «Кислоты и основания» был познавательным и понятным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.
В предыдущих параграфах мы познакомились с теорией электролитической диссоциации. Рассмотрим теперь в свете этой теории свойства тех веществ — кислот, оснований и солей, которые являются электролитами в водных растворах.
1. Кислоты. Как известно, для кислот характерны следующие свойства:
б) способность изменять цвета многих индикаторов, в частности окрашивать лакмус в красный цвет;
в) способность растворять некоторые металлы с выделением водорода;
г) способность взаимодействовать с основаниями, с образованием солей.
Все эти свойства кислоты проявляют только в растворах, и притом почти исключительно в водных растворах. Так, например, сухой хлористый водород или раствор его в бензоле совсем не обладает кислотными свойствами, даже не окрашивает лакмусовую бумажку в красный цвет, а раствор его в воде — соляная кислота — одна из наиболее типичных кислот; точно так же безводная серная кислота совершенно не действует на цинк при обыкновенной температуре, тогда как ее водный раствор энергично реагирует с цинком, выделяя водород.
Но в водных растворах, как мы теперь знаем, присутствуют не молекулы кислот, а главным образом свободные ионы. Понятно, что и свойства таких растворов должны зависеть от свойств отдельных ионов, а не целых молекул.
Кислоты, у которых ярко проявляются перечисленные выше свойства, называются сильные и кислотами. Так как носителями кислотных свойств являются ионы водорода, то, конечно, кислота будет тем сильнее, чем больше концентрация ионов водорода в ее растворе при данном разбавлении, т. е. чем лучше кислота диссоциирует. Сильными являются, например, соляная и азотная кислоты, которые, вероятно, диссоциированы целиком, но вследствие электрического взаимодействия между ионами их кажущаяся степень диссоциации в 0 ,1 н. растворе равна примерно 92%. Наоборот, такие кислоты, степень диссоциации которых не велика, как, например, уксусная, угольная и др., считаются слабыми.
Таким образом, мерой силы кислот служит степень их диссоциации.
О силе кислот можно судить по различным реакциям. В качестве примера укажем на скорость выделения водорода из различных кислот при взаимодействии их с металлами.
Произведем следующий опыт. Нальем в три маленькие колбочки нормальные растворы соляной, фосфорной и уксусной кислот. Бросив в колбочки по одинаковому кусочку цинка или магния, быстро закупорим их пробками с газоотводными трубками, концы которых подведены под отверстия бюреток, опрокинутых в ванну с водой (рис. 78).
Быстрее всего водород выделяется из соляной кислоты, значительно медленнее из фосфорной и очень медленно из уксусной. Таким образом, если судить о силе кислот по скорости выделения водорода, то наиболее сильной из взятых кислот оказывается соляная, а наименее сильной — уксусная, что вполне согласуется со степенью их диссоциации.
Различие в силе кислот по мере разбавления их растворов водой постепенно сглаживается, так как с увеличением разбавления степень диссоциации всех электролитов растет, приближаясь степень диссоциации и концентрация водородных ионов в растворах HCl к 100%. При очень большом разбавлении все кислоты и основания диссоциированы почти нацело, т. е. одинаково сильны. Отсюда не следует, однако, делать вывода, что чем более разбавлена кислота, тем энергичнее она действует. Дело в том, что действие кислоты определяется концентрацией находящихся в ее растворе ионов водорода, которая, в свою очередь, зависит как от степени диссоциации, так и от общей концентрации кислоты. Хотя с разбавлением раствора степень диссоциации увеличивается, но общая концентрация кислоты уменьшается, и притом обыкновенно быстрее, чем растет первая. Поэтому в разбавленных растворах концентрация водородных ионов всегда меньше, чем в концентрированных. В сказанном легко убедиться хотя бы на примере соляной кислоты (табл. 13).
2. Основания. Водные растворы оснований обладают следующими общими свойствами:
а) своеобразным «мыльным» вкусом;
б) способностью изменять цвета индикаторов иначе, чем их изменяют кислоты, например окрашивать лакмус в синий цвет;
в) способностью взаимодействовать с кислотами с образованием солей.
Сила оснований, как и сила кислот, зависит от степени их диссоциации. Наиболее сильные основания — едкий натр и едкое кали, которые в водных растворах, вероятно, диссоциируют полностью, хотя кажущаяся степень их диссоциации в 0,1 н. растворах составляет около 90%. Большинство оснований являются слабыми электролитами.
3. Соли. Соли можно определить как электролиты, которые при растворении в воде диссоциируют, отщепляя положительные ионы, отличные от ионов водорода, и отрицательные ионы, отличные от ионов гидроксила. Таких ионов, которые были бы общими для водных растворов всех солей, нет; поэтому соли и не
Концентрация НCl
Степень диссоциации в %
Концентрация водородных ионов
обладают общими свойствами. Как правило, соли хорошо диссоциированы, и тем лучше, чем меньше валентность образующих соль ионов.
Вы читаете, статья на тему Свойства кислот, оснований и солей
Кислотность и основность разбавленных растворов кислот и оснований
Мерой силы кислоты или основания, согласно теории Брёнстеда – Лоури является константа кислотности или основности соответственно. Поскольку наиболее распространенным растворителем является вода, измерения проводят обычно в воде. Кислота в воде отдает ей свой протон:
НХ + Н2 O ↔ Н3 O + + X–
Применяя закон действующих масс, получим:
В разбавленных растворах [Н2 O ] = const (=55,5 моль/л), поэтому можно записать
Применяя аналогичный вывод для основания, получим:
Величина Кв называется константой основности и является мерой основности относительно стандарта (в данном случае Н2O ). Аналогично величине pH константы кислотности и основности можно выразить в логарифмической форме:
Константы кислотности и основности связаны соотношением:
где Kw — константа автопротолиза растворителя (для воды — ионное произведение). Принимая во внимание ( 75 ), получаем уравнение ( 76 ) в виде:
pKw=pKa +pKв ( 77)
рКа = 14 – рКв (78)
Константы кислотности слабых кислот, нерастворимых в воде, определяют в других растворителях относительно друг друга, выстраивая таким образом единую шкалу кислотности. Полученные значения рКа носят приблизительный характер и могут быть использованы только для качественных оценок, например, данные таблицы 6-4 по константам кислотности относительно воды некоторых кислот Бренстеда.
Согласно табл. 6-4, в воде кислотами являются HCIO4, СН3СООН, основаниями — С2Н5ОН, С2Н2, NH3, С2Н4, С2Н6; в аммиаке кислоты — HCIO4, СН3СООН, С2Н5ОН, С2Н2, основания — С2Н4 и С2Н6.
В химии неорганические соединения делятся на простые и сложные вещества. Простые состоят из атомов одного химического элемента, сложные — из нескольких. Сложные неорганические вещества делятся на пять основных классов: кислоты, основания, амфотерные гидроксиды, оксиды, соли.
Разберёмся с первым классом из списка — кислотами.
Что такое кислота — определение в химии
Кислоты — это сложные вещества, которые состоят из атомов водорода и кислотных остатков.
A c — кислотный остаток;
x — число атомов водорода;
n — степень окисления кислотного остатка.
В химических реакциях активный атом водорода может замещаться на атом металла, в результате чего получается соль. Кислотный остаток — это часть молекулы кислоты без атомов водорода. Валентность кислотного остатка равна числу связанных с ним атомов водорода.
Виды кислот и их классификация, какие бывают (примеры)
Существуют несколько классификаций кислот. Разберёмся с основной классификацией, созданной по формальным признакам: содержанию кислорода, растворимости и так далее.
По содержанию кислорода
Кислоты могут делиться на кислородосодержащие и бескислородные.
Кислородсодержащие получаются при воздействии воды на кислотные оксиды — ангидриды.
Их название в корне содержит название элемента, входящего в состав ангидрида. Примеры:
Номенклатура выглядит следующим образом. В случае, если элементу соответствуют несколько кислот, для названия кислоты с большей валентностью такого элемента употребляют суффикс «Н» или «В». Для кислот с меньшей валентностью элемента в названиях добавляют еще один суффикс «ИСТ». Например, серная ( H 2 S O 4 ) и сернистая кислота ( H 2 S O 3 ).
Бескислородные представляют собой растворы некоторых газов в воде. Названия бескислородных кислот составляют по принципу: элемент + водородная кислота.
Важно, что газ и раствор газа имеют различные свойства. Например, хлороводород и соляная кислота.
Газ хлороводород можно получить из водорода и хлора. Уравнение:
H 2 + C l 2 → 2 H C l
В сухом состоянии такой газ не проявляет кислотных свойств. При перевозке в тех же металлических ёмкостях не происходит никаких реакций. Но, если хлороводород растворить в воде, получается раствор, который называют соляной кислотой. Она обладает сильными кислотными свойствами и опасна при реагировании с металлом.
По растворимости в воде
Кислоты делят на растворимые и нерастворимые. Большинство кислот растворимы. Нерастворимые — кремниевая H 2 S i O 3 и все органические карбоновые кислоты, содержащие десять атомов углерода и больше.
По летучести
Летучие кислоты — это химические соединения, которые быстро испаряются при нормальных условиях, то есть молекулы легко переходят в газовую фазу. В их список входят, к примеру, органические соединения, которые образуются в человеческом организме в результате процесса пищеварения, болезней или метаболизма.
Список летучих кислот:
Нелетучими являются все остальные. Они стабильны в водных растворах.
По силе (степени диссоциации)
Кислоты также можно разделить на сильные и слабые. Если в водном растворе кислота полностью распадается на ионы (диссоциирует), то она является сильной. Слабые кислоты не распадаются на ионы полностью, обычно их диссоциация протекает в незначительной степени.
Как определить силу кислоты, то есть степень диссоциации? Можно использовать лёгкий приём: вычесть из числа атомов O число атомов H. Если в ответе получается число меньше 2 — слабая. Больше или равно — сильная.
Степень диссициации можно также установить экспериментальным путем посредством измерения проводимости растворов. Разбавленные растворы сильных кислот хорошо проводят электрический ток, растворы слабых кислот — плохо.
Характерные химические и физические свойства
Химические свойства
Взаимодействие с основными оксидами. Образуются соль и вода:
C a O + 2 H C l → C a C l 2 + H 2 O
Взаимодействие с амфотерными оксидами. Образуются соль и вода:
Z n O + 2 H N O 3 → Z n ( N O 3 ) 2 + H 2 O
Взаимодействие со щелочами. Образуются соль и вода (реакция нейтрализации):
N a O H + H C l → N a C l + H 2 O
Взаимодействие с солями. Реакция протекает, если выпадает осадок или выделяется газ:
B a C l 2 + H 2 S O 4 → B a S O 4 ↓ + H C l ↑
Сильные кислоты вытесняют более слабые из их солей:
K 3 P O 4 + 3 H C l → 3 K C l + H 3 P O 4
Также металлы, стоящие в ряду активности до водорода, вытесняют его из раствора кислоты (если соль, которая образуется в итоге, растворима):
M g + 2 H C l → M g C l 2 + H 2 ↑
Однако! С азотной и концентрированной серной кислотами реакция идёт иначе:
M g + 2 H 2 S O 4 → M g S O 4 + S O 2 ↑ + 2 H 2
Физические свойства
Получение и применение кислот
Кислоты можно получить несколькими методами.
Взаимодействие кислотного оксида с водой:
H 2 O + S O 3 → H 2 S O 4
Взаимодействие водорода и неметалла:
H 2 + C l 2 → 2 H C l
Вытеснение слабой кислоты из солей более сильной кислотой:
3 H 2 S O 4 + 2 K 3 P O 4 → 3 K 2 S O 4 + H 3 P O 4
Кислоты находят широкое применение в различных сферах. К примеру, серная используется для производства лакокрасочных материалов и минеральных удобрений. Борная является медицинским антисептиком. Уксусную и лимонную добавляют при приготовлении выпечки, а аскорбиновую применяют при лечении простудных заболеваний.
Что делает кислоту сильной или слабой? Чтобы ответить на этот вопрос, нам сначала нужно взглянуть на определение кислоты. Это химическое соединение, которое принимает электроны и / или отдает (диссоциирует) ионы водорода, также известные как протоны.
Следовательно, уровни кислотности кислоты зависят от ее способности диссоциировать ионы водорода, т.е. чем больше число ионов водорода, продуцируемых кислотой в растворе, тем более кислым он является. Теперь, прежде чем мы перейдем к списку сильнейших кислот на Земле, есть определенные термины и определения, с которыми вам необходимо ознакомиться.
Это подводит нас к другому связанному и важному показателю кислотности pKa. Это в основном отрицательный целочисленный логарифм Ka.
Чем сильнее кислота, тем ниже значения pKa.
Уксусная кислота отдает протон (в зеленом цвете) воде, чтобы произвести ион гидрония и ион ацетата. (Кислород в красном, водород в белом и углерод в черном)
Функция кислотности Гаммета: (H o) Всем нам известна шкала pH, которая обычно используется для измерения уровней кислотности или основности химических веществ, но когда речь идет о суперкислотах, она просто становится бесполезной, поскольку их уровни кислотности в миллион раз больше, чем серная и соляная кислоты.
Таким образом, чтобы измерить суперкислоты на основе их уровней кислотности, исследователи придумали функцию кислотности Гаммета. Первоначально он был предложен американским физическим химиком Луи Плаком Гаммет.
8. Серная кислота
Серная кислота (98%) на листе бумаги
Серная кислота или купорос не нуждаются в формальном введении. Он не имеет запаха, цвета и вызывает интенсивную экзотермическую реакцию при смешивании с водой. Серная кислота является важным химическим веществом, которое необходимо для многих отраслей промышленности, таких как сельское хозяйство, очистка сточных вод и нефтепереработка. Она также используется в кислотах аккумулятора и чистящих средствах.
Она также играет важную роль в изучении кислот в целом. Серная кислота служит базовым эталоном для сравнения уровней кислотности суперкислот или кислот. Хотя существует несколько способов получения серной кислоты, обычно используют контактный процесс и влажный процесс серной кислоты.
H 2 SO 4 может нанести значительный ущерб коже человека при прямом контакте. Это также очень разъедает многие металлы. Химическое вещество гораздо более агрессивно и опасно, когда присутствует в высокой концентрации, благодаря своим превосходным окислительным и дегидратирующим свойствам.
7. Соляная кислота
Подобно серной кислоте, соляная кислота также является важным химическим веществом, которое широко используется в лабораториях и различных отраслях промышленности. Соляная кислота была обнаружена где-то около 800 г. н.э. иранским ученым-эрудитом по имени Джабир ибн Хайян.
Те, кто задаются вопросом, почему соляная кислота сильнее серной кислоты, несмотря на то, что последняя является контрольной точкой для суперкислот, причина этого заключается в том, что серная кислота является дипротоновой кислотой, которая обычно не полностью диссоциирует.
Другими словами, HCl сильнее серной кислоты, поскольку ее ионы водорода (HCl) легко отделяются от хлорида по сравнению с сульфат-ионом из серной кислоты. Так или иначе, соляная кислота в основном используется в тяжелой промышленности для удаления ржавчины с железа и стали перед дальнейшей обработкой. Кроме того, это жизненно важный компонент в производстве органических (винилхлорид используется для ПВХ) и многих неорганических соединений.
6. Трифторметансульфоновая кислота
Трифликовая кислота используется во многих протонированиях и титрованиях (количественный анализ химического состава). Важная причина, по которой трифликовая кислота является предпочтительной в определенных случаях, заключается в том, что она не сульфонирует другие вещества, что характерно для хлорсульфоновой кислоты и серной кислоты.
Излишне говорить, что это чрезвычайно опасно. Любой контакт кожи с кислотой может вызвать серьезные ожоги и может привести к незначительному повреждению тканей. Это может также вызвать отек легких и судороги и другие критические условия при вдыхании.
5. Фторсульфоновая кислота
Фторосерная кислота или серно-фтористоводородная кислота (официальное название) является второй сильнейшей однокомпонентной кислотой, доступной сегодня. Это желтый на вид и, конечно, очень едкий / токсичный. HSO 3 F обычно получают путем взаимодействия фтористого водорода с триоксидом серы, и в сочетании с пентафторидом сурьмы он образует «волшебную кислоту», гораздо более сильную кислоту и протонирующий агент.
Кислота может быть использована для алкилирования углеводородов (с алкенами) и изомеризации алканов, а также для травления стекла (художественное стекло). Это обычный фторирующий агент в лабораториях.
4. Хлорная кислота
Хлорная кислота является одной из самых сильных кислот Бренстеда-Лоури, которые обладают сильными окислительными свойствами и обладают высокой коррозионной активностью. Традиционно ее получают обработкой перхлората натрия соляной кислотой (HCl), которая также создает хлорид натрия.
NaClO4 + HCl → NaCl + HClO4
В отличие от других кислот, хлорная кислота не подвержена гидролизу. Это также одна из самых регулируемых кислот в мире. Еще в 1947 году в Лос-Анджелесе, штат Калифорния, около 150 человек получили ранения и 17 человек погибли в результате химического взрыва, в котором содержалось почти 75% хлорной кислоты (по объему) и 25% ангидрида уксусной кислоты. Также было повреждено более 250 близлежащих зданий и транспортных средств.
Несмотря на взрывную природу, хлорная кислота широко используется и даже предпочтительна в некоторых типах синтеза. Это также важный компонент перхлората аммония, который используется в современном ракетном топливе.
3. Фторированная карборановая кислота
Общая структура карбоновой кислоты
Одним из таких членов этой группы является фторированная карборановая кислота. Хотя о существовании такого химического вещества первоначально сообщалось в 2007 году, исследователи смогли в полной мере изучить его природу только в 2013 году. До его открытия корона сильнейшей кислоты Бренстеда перешла к сильно хлорированной версии этого семейства суперкислот.
Фторированный карборан является единственной известной кислотой, которая может протонировать (переносить ион водорода) диоксид углерода с образованием катионов, соединенных водородом. В отличие от этого, CO 2 не подвергается какой-либо заметной протонации при обработке другими суперкислотами, такими как магическая кислота и HF-SbF5.
2. Волшебная кислота
FSO 3 H · SbF 5, наиболее известный как магическая кислота, получают смешением фторсерной кислоты и пентафторида сурьмы в молярном соотношении 1: 1. Эта сверхкислотная система была впервые разработана в 1966 году исследователями из лаборатории Джорджа Олаха, Университета Case Western Reserve в Огайо.
Его довольно причудливое название было установлено после официального события в 1966 году, когда сотрудник лаборатории Олаха продемонстрировал протонирование углеводородов, в котором парафиновая свеча «волшебным образом» растворилась и превратилась в раствор трет-бутильного катиона после того, как она была помещена в то, что сейчас известно как волшебная кислота.
Хотя Волшебная кислота обычно используется для стабилизации ионов углерода в растворах, она имеет несколько других важных промышленных применений. Например, он может ускорить изомеризацию насыщенных углеводородов и даже протоната метана, ксенона и галогенов, которые все являются слабыми основаниями.
1. Фтороантимоновая кислота
Фторантимоновая кислота является, пожалуй, самой сильной из всех известных суперкислот, основанных на значениях функции кислотности Гаммета. Его получают путем смешивания фтористого водорода с пентафторидом сурьмы, как правило, в соотношении 2: 1. Эта реакция носит экзотермический характер.
Этот суперкислота имеет несколько важных применений в химическом машиностроении и нефтехимической промышленности. Например, его можно использовать для отделения метана и Н 2 от неопентана и изобутана (оба алкана) соответственно.
Неудивительно, что H 2 FSbF 6 чрезвычайно агрессивен и может подвергаться сильному гидролизу при контакте с водой. Как и большинство суперкислот, фторантимоновая кислота может питаться прямо через стекло, поэтому она должна храниться в контейнерах из политетрафторэтилена.
Теперь, большинство из вас, возможно, наткнулись на карбоновые кислоты (либо хлорированная карбоновая кислота, либо фторированная карборановая кислота), когда искали «самые сильные кислоты в мире». Ну, технически они верны, так как карбоновые кислоты являются самыми сильными известными однокомпонентными кислотами на Земле, гораздо более кислыми, чем подобные хлорной и трифликовой кислотам (фтороантимоновая кислота на самом деле является смешанной кислотой).
