Кислоты и их свойства
Привет, на связи ChemistryToday! Если вы решили прочесть данную статью, вероятно, вы хотите узнать о кислотах, какими они бывают и каковы их основные свойства (химические и физические).
Для начала будет глупо не сказать, что чёткого определения кислоты нет. Есть несколько теорий электролитической диссоциации (ЭД), каждая из них трактует определение по-своему.
Первая и основная, изучаемая в школе теория — это теория Сванте Аррениуса. Согласно ей, кислоты — это вещества, которые при диссоциации образуют катионы водорода (протоны):
HR ⇄ H⁺ + R⁻
Но в дальнейшем оказалось, что теория Аррениуса не совсем логична: откуда берётся энергия на диссоциацию?
Объяснение этому дал Д. И. Менделеев. Он показал, что кислоты (как и все вещества) после диссоциации как-то взаимодействуют с водой. Как?
Например, к катиону H⁺ при помощи донорно-акцепторной связи «прикрепляется» вода, в результате чего образуется катион гидроксония H₃O⁺.
То есть энергия выделяется при дальнейшем взаимодействии ионов с водой, что и «покрывает» расходы на диссоциацию. Естественно, «покрывать» можно не обязательно точно. Вы же наблюдали, как некоторые вещества вроде HCl разогревают воду при растворении, а некоторые вроде NH₄NO₃, наоборот, остужают её?
Тогда правильнее будет записать уравнение диссоциации так:
HR + H₂O ⇄ H₃O⁺ + R⁻
Дальше появилась протолитическая теория кислот и оснований (теория Бренстеда-Лоури), на ней мы и закончим рассказ о теориях ЭД. Она гласит, что кислота в реакции — это вещество, отдающее протон. Если вам кажется, что эти теории похожи, то чуть позже, когда будем разбирать свойства оснований, вы более основательно посмотрите на теорию Бренстеда-Лоури и поймёте, что это абсолютно разные идеи.
Итак, с теориями разобрались. Какие бывают свойства у кислот? Во-первых, все они имеют кислый вкус из-за наличия того самого катиона водорода.
Следующие свойства: основность, сила кислоты, кислородсодержание.
ОСНОВНОСТЬ. Сама суть понятия «основность» объясняет, со сколькими основными группами (OH⁻) может провзаимодействовать кислота, чтобы отщепить все свои атомы водорода. Кислоты бывают одноосновными, двухосновными, трехосновными…
Примерами одноосновных кислот являются: HF, HCl, HBr, HIO₃. Двухосновных: H₂SO₄, H₂SiO₃. Трёхосновных: H₃PO₄, H₃AsO₄.
А вот интересный пример — H₃PO₂. Скажете, трёхосновная? А нет! Из трёх атомов водорода в молекуле замещаться может только один, что видно из структуры:
Запомните: отсоединяться при диссоциации могут только атомы водорода, находящиеся в связи с кислородом. Соответственно, средними солями этой кислоты будут соли NaH₂PO₂ (гипофосфит натрия, кому интересно), Ba(H₂PO₂)₂ и т. п.
Упомянутая выше плавиковая кислота HF тоже не так проста. Являясь одноосновной, она образует кислые соли не только вида MeHF₂ (одновалентный металл для определённости), но и гораздо более сложного. Так, существует соль KH₃F₄. На сей раз структура кислоты нам не поможет: она совершенно проста, а вот помогут водородные связи. Будучи самым электроотрицательным элементом, фтор легко их образует и диссоциирует по схеме:
2HF ⇄ H⁺ + HF₂⁻
Дальше — сила кислоты. Сила кислоты показывает, насколько хорошо эта кислота может отдавать протон при диссоциации. То есть чем лучше отдаёт кислота протон, тем она сильнее. Как численно это можно измерить? Существует константа для каждой кислоты, называемая степенью диссоциации и обозначаемая буквой «альфа»:
α = N'/N, где N' — это количество молекул кислоты, распавшихся на ионы, N — общее число молекул в данном растворе.
Соответственно, α выражена в долях единицы или в процентах; чем она больше, тем кислота сильнее.
В заключение, кислородсодержание. Очевидно, кислоты делятся на кислородсодержащие (H₂N₂O₂, HClO₄) и бескислородные (HCN, H₂S). Любопытный факт: первоначально Лавуазье предположил, что свойства кислот обусловлены наличием в них кислорода. Конечно, в дальнейшем это было опровергнуто, но так у кислорода появилось название.
Стоит отметить некоторую сложность в номенклатуре кислородсодержащих кислот: если центральный элемент может иметь несколько степеней окисления, то это отражается в суффиксах названия:
+1 — HClO — хлорноватистая;
+3 — HClO₂ — хлористая;
+5 — HClO₃ — хлорноватая;
+7 — HClO₄ — хлорная.
Будучи обширным классом, кислоты интересны многими другими свойствами и особенностями, упомянуть которые в одной статье невозможно, но пытливый читатель всегда может обратиться к дополнительной литературе (кстати, публикуемой под соответствующим хэштегом). До новых встреч!