Тема. Кислоты

Цель

• Изучить понятие кислот, их состав и классификацию, а также ознакомиться с основными неорганическими кислотами.

Основные термины 

Кислоты – сложные вещества, которые состоят из атомов водорода и кислотного остатка. 

 

Ход урока 

Почему кислоты кислы?

Кислоты - это гидраты кислотных оксидов. Обычно кислотные оксиды образуют элементы-неметаллы, например, углерод, кремний, азот, фосфор, сера, хлор…

Диоксид углерода CO₂ - кислотный оксид, ему соответствует угольная кислота. Чтобы получить угольную кислоту, углекислый газ (газообразный диоксид углерода) просто-напросто пропускают в воду:

Раствор диоксида углерода в воде, содержащий угольную кислоту, хорошо известен: после добавления сладкого сиропа он превращается в лимонад, пепси-колу или другой освежающий напиток.

Когда-то людям была известна только одна кислота - уксусная. Кислый вкус, уксусная кислота и вообще всё кислое по-гречески - "оксос". Постепенно люди узнали и другие кислоты - серную, соляную, щавелевую, муравьиную, яблочную. А также фосфорную, азотную, янтарную, валериановую…

 Давайте посмотрим видео, которое поможет нам усвоить, что же такое кислоты: 

Что же между ними общего? Посмотрим на формулы кислот и увидим, что здесь, как правило, на первом месте атом водорода.

Вот, например:

• угольная кислота - H₂CO₃,
• азотная кислота - HNO₃,
• серная кислота - H₂SO₄.

Такое расположение символов атомов в формуле молекул не случайность. Дело в том, что главное свойство кислот - это их способность в воде распадаться на ионы, причем один из ионов - обязательно катион водорода.

Катион водорода получается в растворе любых кислот, потому что в них атомы водорода связаны с остальной частью молекул довольно слабо. Как только кислота оказывается в растворе, атомы водорода превращаются в катионы H⁺, а остальная часть молекулы - в кислотный остаток (анион кислоты). Катионы водорода отправляются в окружающий их мир воды:
Кислота, когда здорова, Угостить друзей готова Тем, что ей дала природа, - Катионом водорода!

Все кислоты в растворе отдают катионы водорода, но некоторые из них делают это охотно, а другие "жадничают". Те кислоты, которым не жалко подарить катионы H⁺, называются сильными, а уравнения их реакций диссоциации (распада на ионы) выглядят так:

• HNO₃ =  H⁺ + NO₃⁻ (для азотной кислоты);
• H₂SO₄ = 2H⁺ + SO₄²⁻ (для серной кислоты);
• HCl =  H⁺ + Cl⁻ (для хлороводородной, или соляной кислоты);

Если кислота - "жадина", то она отдает не все свои катионы водорода; часть из них, притом значительную, оставляет при себе. Такие "скупые" кислоты называют слабыми, а реакции их диссоциации - обратимыми.

В обратимых реакциях исходные вещества превращаются в продукты не полностью, а лишь частично. Химики договорились, что вместо знака равенства в обратимых реакциях надо ставить две стрелочки, вот так:

Тогда уравнение реакции диссоциации слабой кислоты - фтороводородной (плавиковой) - будет таким:

А для других слабых кислот - угольной и фосфорной - диссоциация будет не только обратимой, но еще и многоступенчатой:

H2CO3 H+ + HCO3− HCO3− H+ + CO32−

H3PO4 H+ + H2PO4− H2PO4− H+ + HPO42− HPO42− H+ + PO43−

Это значит, что слабая кислота "угощает" всех окружающих своими протонами чрезвычайно неохотно. Отщепит часть и подождет: может, больше не попросят?..

"Силу" и "слабость" любой кислоты можно измерить и рассчитать. Для этого служит степень диссоциации.  Эту величину принято обозначать греческой буквой α (альфа), и она равна отношению числа молекул, распавшихся на ионы, к общему числу молекул растворенной в воде кислоты.

Точно так же определяют, руководствуясь здравым смыслом, степень протекания любого процесса (например, если на столе лежало десять яблок, а мальчик Петя съел три, то "степень употребления яблок в пищу" составит 3/10 = 0,3, или иначе - 30 % яблок).

Если кислота сильная, то степень ее диссоциации в водном растворе равна 100%, или 1,0: все молекулы, сколько бы их ни было вначале, распадаются на ионы водорода и кислотного остатка.

Слабая кислота имеет степень диссоциации меньше 100% (или меньше 1,0 - например, 0,3 или 0,1): распадаются на ионы далеко не все молекулы растворенной слабой кислоты, а только часть из них.

Что же происходит с катионами водорода, которыми любая кислота "угощает", скупо или щедро, своих соседей по раствору? Ведь катионы водорода - это частицы особенные, очень мелкие и юркие; практически это - протоны безо всякого электронного окружения. Неужели они так и плавают никем не замеченные в водном растворе, среди целого океана молекул воды?

На самом деле в водной среде несвязанные катионы водорода H⁺, конечно, не могут существовать. Их сразу же "съедают" молекулы воды, и в результате образуется катион оксония H₃O⁺:

Ионы H⁺ (а если уж быть точными, катионы оксония H₃O⁺) в растворе любой кислоты действуют на язык человека, вызывая ощущение кислого.

Поэтому химики средневековья, проводя химические опыты с участием кислот, время от времени пробовали раствор на вкус, чтобы установить, полностью ли прошла реакция. Однако мало кто из них доживал до преклонного возраста - ведь среди химических веществ не так уж много полезных для еды, наоборот, многие весьма ядовиты.

Очень многие кислоты пришли в химию прямиком с кухни. Лимонная, яблочная, масляная, молочная, винная - источник, откуда химики извлекли эти кислоты, ясен из названия: это органические вещества, продукты живой природы.

Другое дело - неорганические кислоты, например, серная или азотная. Чтобы их получить, обычно бывает достаточно добавить к кислотному оксиду воду. Например, триоксид серы SO₃ в воде превращается в серную кислоту, а оксид азота состава N₂O₅ - в азотную:

SO3 + H2O =  H2SO4

N2O5 + H2O = 2HNO3

Правда, некоторые кислоты нерастворимы в воде. Тогда для их получения химику приходится обходить множество препятствий.

Например, получить кремниевую кислоту, добавляя воду к диоксиду кремния SiO₂ (обычному кварцевому песку), не удается. Потребуются особые приемы. Например, можно сначала растворить диоксид кремния в щелочи - гидроксиде натрия NaOH , а потом провести обменную реакцию полученного силиката натрия Na₄SiO₄ с соляной кислотой HCl:

SiO2 + 4NaOH =  Na4SiO4 + 2H2O;

Na4SiO4 + 4HCl = H4SiO4↓ + 4NaCl

 

 

 

Классификация кислот. 

Кислоты классифицируются по разным признакам, так что давайте сначала просто выпишем их (рисунок 5). 

 

Номенклатура неорганических кислот прошла долгий путь развития и складывалась постепенно. Наряду с систематическими названиями кислот широко применяются традиционные и тривиальные. Некоторые распространённые кислоты могут в различных источниках иметь разные названия: например, водный раствор HCl может именоваться соляной, хлороводородной, хлористоводородной кислотой. 

Традиционные русские названия кислот образованы прибавлением к названию элемента морфем -ная или -овая (хлорная, серная, азотная, марганцовая). Для разных кислородсодержащих кислот, образованных одним элементом, используется -истая для более низкой степени окисления (сернистая, азотистая). В ряде случаев для промежуточных степеней окисления дополнительно используются морфемы -новатая и -новатистая. 

 

Рис. 6. Хлороводородная (соляная) кислота

 

Рис. 7. Соляная кислота

 

Рис. 8. Борная кислота

А теперь давайте посмотрим на некоторые эксперименты и опыты с серной кислотой, которые помогут нам разобраться в химических свойствах кислот: 

Химические свойства кислот. 

Рассмотрим важнейшие химические свойства кислот. 

1. Действие растворов кислот на индикаторы. Практически все кислоты (кроме кремниевой) хорошо растворимы в воде. Растворы кислот в воде изменяют окраску специальных веществ – индикаторов. По окраске индикаторов определяют присутствие кислоты. Индикатор лакмус окрашивается растворами кислот в красный цвет, индикатор метиловый оранжевый – тоже в красный цвет. 

2. Взаимодействие кислот с основаниями. Эта реакция, как вы уже знаете, называется реакцией нейтрализации. Кислота реагируют с основанием с образованием соли, в которой всегда в неизменном виде обнаруживается кислотный остаток. Вторым продуктом реакции нейтрализации обязательно является вода.  

3. Взаимодействие кислот с основными оксидами. Поскольку основные оксиды – ближайшие родственники оснований – с ними кислоты также вступают в реакции нейтрализации. Давайте посмотрим на химический опыт, показывающий взаимодействие кислот с оксидами: 

4. Взаимодействие кислот с металлами. Как мы видим из предыдущего примера, для взаимодействия кислот с металлом должны выполняться некоторые условия (в отличие от реакций кислот с основаниями и основными оксидами, которые идут практически всегда). Давайте посмотрим на видео, как разбавленные кислоты взаимодействуют с металлами: 

Выводы. 

1. Кислота – это сложное вещество, в молекуле которого имеется один или несколько атомов водорода и кислотный остаток.  

2. Кислоты классифицируются по числу атомов водорода (основности) – одноосновные, двухосновные и трехосновные; по наличию кислорода в кислотном остатке – бескислородные и кислородсодержащие; по растворимости – нерастворимые и растворимые. 

3. К основным неорганическим кислотам относят хлороводородную (соляную) кислоту, фтороводородную кислоту, борную кислоту, серную кислоту и азотную кислоту. 

Домашнее задание. 

Заполните таблицу, представленную на рисунке 9. 

 

Рис. 9. Домашнее задание

Интересно знать, что. 

В 1772 году Дж. Пристли показал, что при действии концентрированной серной кислотой на поваренную соль выделяется бесцветный газ, который может быть собран над ртутью и растворён в воде. Этот раствор назвали «муриевая кислота» (от слова «мурия» - рассол, солёная вода). Пристли назвал кислотой мурия соляную кислоту и её иногда до сих пор называют так. 

В 1756 году М.В. Ломоносов назвал раствор газа HCl в воде - соляной кислотой. 

В 1778 году А.Л. Лавуазье предположил, что кислоты - вещества, содержащие кислород. Однако, как вы уже знаете, он оказался неправ, т.к. существуют бескислородные кислоты.

В 1814 году Г. Деви высказал мнение, что атом водорода - необходимая активная частица кислот, но атом водорода должен замещаться на металл.