1. Классификация кислот

Кис­ло­ты – это ве­ще­ства мо­ле­ку­ляр­но­го стро­е­ния. Атомы в мо­ле­ку­лах кис­лот свя­за­ны ко­ва­лент­ны­ми по­ляр­ны­ми свя­зя­ми. Чем боль­ше по­ля­ри­зо­ва­на связь между ато­мом во­до­ро­да,  спо­соб­ным от­щеп­лять­ся, и элек­тро­от­ри­ца­тель­ным ато­мом (кис­ло­ро­да, серы или ато­мом га­ло­ге­на), то тем более эта связь склон­на дис­со­ци­и­ро­вать по ге­те­ро­ли­ти­че­ско­му пути. А зна­чит, тем боль­ше в рас­тво­ре будет ка­ти­о­нов во­до­ро­да и тем кис­лее будет среда. Боль­шое зна­че­ние имеет не толь­ко по­ляр­ность, но и по­ля­ри­зу­е­мость связи. По­ля­ри­зу­е­мость – это спо­соб­ность связи по­ля­ри­зо­вать­ся под дей­стви­ем опре­де­лен­ных ре­а­ген­тов. На­при­мер, мо­ле­кул воды.

Клас­си­фи­ка­ция кис­лот

Клас­си­фи­ка­ция кис­лот по со­дер­жа­нию ато­мов кис­ло­ро­да, по ко­ли­че­ству ато­мов во­до­ро­да, по рас­тво­ри­мо­сти и дру­гим при­зна­кам. См. Табл. 1.

 

При­зна­ки клас­си­фи­ка­ции	Груп­пы кис­лот	При­мер
На­ли­чие кис­ло­ро­да	Кис­ло­род­со­дер­жа­щие	Н2SO4, HNO3
Бес­кис­ло­род­ные	Н2S, HCl
Ос­нов­ность (число ато­мов во­до­ро­да, спо­соб­ных за­ме­щать­ся на ме­талл)	Од­но­ос­нов­ные	HNO3 , HCl
Двух­ос­нов­ные	Н2S, Н2CO3
Трёх­ос­нов­ные	H3PO4
Рас­тво­ри­мость	Рас­тво­ри­мые	Н2SO4, HNO3
Нерас­тво­ри­мы	Н2SiO3
Ле­ту­честь	Ле­ту­чие	HCl
Неле­ту­чие	Н2SO4
Сте­пень элек­тро­ли­ти­че­ской дис­со­ци­а­ции	Силь­ные	Н2SO4, HNO3, HCl
Сла­бые	Н2S, Н2CO3
Ста­биль­ность	Ста­биль­ные	H3PO4, Н2SO4, HCl
Неста­биль­ные	Н2CO3, Н2SO3

Табл. 1.

2. Химические свойства кислот

1. Ре­ак­ция с ме­тал­ла­ми.

Ме­тал­лы, рас­по­ло­жен­ные в ряду на­пря­же­ний ме­тал­лов (Рис. 1.) до во­до­ро­да, вы­тес­ня­ют во­до­род из кис­лот.

Mg + 2HCl = MgCl₂ + H₂↑

Рис. 1.

С кон­цен­три­ро­ван­ной азот­ной и сер­ной кис­ло­той ре­ак­ции идут за счет ани­он­но­го остат­ка. Во­до­род не вы­де­ля­ет­ся. Рис. 2.

Cu + 4HNO_3(конц) = Cu (NO₃)₂ + 2NO₂↑ + H₂O

Cu + 2H₂SO_4(конц) = Cu SO₄ + SO₂↑ + H₂O

Рис. 2

2. Ре­ак­ция с ос­нов­ны­ми и ам­фо­тер­ны­ми ок­си­да­ми с об­ра­зо­ва­ни­ем соли и воды.

                                               K₂O+ HNO₃ = KNO₃ + H₂O

                                               Al₂O₃ + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂O

3. Ре­ак­ция с со­ля­ми. Кис­ло­ты ре­а­ги­ру­ют с рас­тво­ра­ми солей, если в ре­зуль­та­те ре­ак­ции один из про­дук­тов вы­па­да­ет в оса­док, по­сколь­ку об­ра­зо­ва­ние нерас­тво­ри­мых со­еди­не­ний сме­ща­ет рав­но­ве­сие впра­во и де­ла­ет её прак­ти­че­ски необ­ра­ти­мой.

                                               Н₂SO₄ + BaCl₂ = BaSO₄↓ +2 HCl

                                               H₂CO₃ + BaCl₂ = BaCO₃↓ +2 HCl

4. Ре­а­ги­ру­ют с ос­но­ва­ни­я­ми и ам­фо­тер­ны­ми гид­рок­си­да­ми.

KOН+ HNO₃ = KNO₃ + H₂O

                                               Al(OН)₃ + 3HCl = AlCl₃ + 3H₂O

                                               NaOH + HNO₃ = NaNO₃ + H₂O

5. Об­на­ру­же­ние кис­лот при по­мо­щи кис­лот­но-ос­нов­ных ин­ди­ка­то­ров.

В кис­лой среде лак­мус при­об­ре­та­ет крас­ную окрас­ку. Ме­ти­ло­вый оран­же­вый – крас­ную, а фе­нол­фта­ле­и­но­вый – бес­цвет­ный.          

                                        

Рис. 3

3. Получение кислот

Ос­нов­ные спо­со­бы по­лу­че­ния кис­лот

1.  Бес­кис­ло­род­ные кис­ло­ты можно по­лу­чить из про­стых ве­ществ.

H₂ + Cl₂2HCl

H₂ + S  H₂S

2. Кис­ло­род­со­дер­жа­щие кис­ло­ты можно по­лу­чить гид­ра­та­ци­ей со­от­вет­ству­ю­щих кис­лот­ных ок­си­дов.

N₂O₅ + H₂O → 2HNO₃

SO₃ + H₂O → H₂SO₄

3. По­лу­че­ние кис­лот вы­тес­не­ни­ем сла­бых кис­лот силь­ны­ми, ле­ту­чих – неле­ту­чи­ми, рас­тво­ри­мых – нерас­тво­ри­мы­ми. На­при­мер, силь­ная со­ля­ная кис­ло­та вы­тес­ня­ет сла­бую ук­сус­ную из рас­тво­ров их солей.

СH3COONa + HCl = CH3COOH + NaCl

NaСl (тв.) + H₂SO₄= NaНSO₄ + HCl↑

4. Кис­ло­ты можно по­лу­чить при гид­ро­ли­зе неко­то­рых солей или га­ло­ге­ни­дов.

Al₂ S₃ +6 H₂O → 2Al (OH)₃↓+ 3H₂S↑

PCl₅ + H₂O → H₃PO₄ + 5HCl

4. Теории кислот и оснований

Рис. 4.

Су­ще­ству­ет боль­шое ко­ли­че­ство тео­рий кис­лот и ос­но­ва­ний. Одна из пер­вых – это по­явив­ша­я­ся в конце XVIII века бла­го­да­ря Ан­ту­а­ну Ла­ву­а­зье (рис. 4), со­глас­но ко­то­рой кис­лот­ные свой­ства свя­зы­ва­лись с на­ли­чи­ем в ве­ще­стве кис­ло­ро­да. Имен­но бла­го­да­ря этой тео­рии по­яви­лось на­зва­ние эле­мен­та №8 (кис­ло­род – рож­да­ю­щий кис­ло­ты). Но эта ги­по­те­за очень быст­ро до­ка­за­ла свою несо­сто­я­тель­ность, когда стал из­ве­стен целый ряд кис­лот, не со­дер­жа­щих кис­ло­род, на­при­мер га­ло­ге­но­во­до­род­ные кис­ло­ты.

Рис. 5.

Тео­рия кис­лот и ос­но­ва­ний Сван­те Ар­ре­ни­у­са (рис. 5). Она ба­зи­ру­ет­ся на тео­рии элек­тро­ли­ти­че­ской дис­со­ци­а­ции. Со­глас­но ей, кис­ло­ты – это ве­ще­ства, об­ра­зу­ю­щие в вод­ном рас­тво­ре гид­ра­ти­ро­ван­ные ионы во­до­ро­да и ани­о­ны кис­лот­но­го остат­ка. А со­от­вет­ствен­но, ос­но­ва­ния – это ве­ще­ства, дис­со­ци­и­ру­ю­щие в вод­ном рас­тво­ре на ка­ти­о­ны ме­тал­ла и ани­о­ны гид­рок­со­груп­пы.

Тео­рия Брён­сте­да и Лоури. Со­глас­но этой тео­рии, кис­ло­ты – это мо­ле­ку­лы или ионы, ко­то­рые в дан­ной ре­ак­ции яв­ля­ют­ся до­но­ра­ми про­то­нов, а ос­но­ва­ния – это мо­ле­ку­лы или ионы, ко­то­рые при­ни­ма­ют про­то­ны, т. е. ак­цеп­то­ры.

В ор­га­ни­че­ской химии су­ще­ству­ет тео­рия Лью­и­са (рис. 6). Кис­ло­та – это мо­ле­ку­ла или ион, име­ю­щая ва­кант­ные ва­лент­ные ор­би­та­ли, вслед­ствие чего они спо­соб­ны при­ни­мать элек­трон­ные пары, на­при­мер, ионы во­до­ро­да, ионы ме­тал­лов, неко­то­рые ок­си­ды, а также ряд солей. Кис­ло­ты Лью­и­са, не со­дер­жа­щие ионов во­до­ро­да, на­зы­ва­ют­ся апро­тон­ны­ми. Про­тон­со­дер­жа­щие кис­ло­ты рас­смат­ри­ва­ют­ся, как част­ный слу­чай клас­са кис­лот.

Рис. 6.

Ос­но­ва­ние по тео­рии Лью­и­са – это мо­ле­ку­ла или ион, спо­соб­ные быть до­но­ра­ми элек­трон­ных пар: все ани­о­ны, ам­ми­ак, амины, вода, спир­ты, га­ло­ге­ны.

При­мер ре­ак­ции между кис­ло­та­ми и ос­но­ва­ни­я­ми Лью­и­са.

AlCl₃+ Cl^- → Cl₄^-

Это вза­и­мо­дей­ствие лежит в ос­но­ве га­ло­ге­ни­ро­ва­ния аро­ма­ти­че­ских со­еди­не­ний.

Тео­рия Уса­но­ви­ча (Рис. 7). В этой тео­рии кис­ло­та – это ча­сти­ца, ко­то­рая спо­соб­на от­щеп­лять ка­ти­о­ны или при­со­еди­нять ани­о­ны. Со­от­вет­ствен­но, ос­но­ва­ние на­о­бо­рот. Этой тео­ри­ей поль­зу­ют­ся очень редко, по­то­му что она по­лу­чи­лась слиш­ком общей. Со­глас­но ей, любые вза­и­мо­дей­ствия с уча­сти­ем ионов можно све­сти к кис­лот­но-ос­нов­ным. А это не очень удоб­но.

Рис. 7.

5. Константа диссоциации

Для ко­ли­че­ствен­ной ха­рак­те­ри­сти­ки того, как кис­ло­та дис­со­ци­и­ру­ет на ионы, кроме по­ня­тия сте­пе­ни элек­тро­ли­ти­че­ской дис­со­ци­а­ции ис­поль­зу­ют по­ня­тие кон­стан­та дис­со­ци­а­ции. Кон­стан­та дис­со­ци­а­ции – это вид кон­стан­ты рав­но­ве­сия, ко­то­рая по­ка­зы­ва­ет склон­ность неко­то­ро­го боль­шо­го объ­ек­та (кис­ло­ты, соли или ком­плекс­но­го со­еди­не­ния) об­ра­ти­мо дис­со­ци­и­ро­вать с об­ра­зо­ва­ни­ем более ма­лень­ких объ­ек­тов. Кон­стан­та дис­со­ци­а­ции опре­де­ля­ет­ся как про­из­ве­де­ние кон­цен­тра­ций ионов в сте­пе­ни их сте­хио­мет­ри­че­ских ко­эф­фи­ци­ен­тов, де­лён­ное на недис­со­ци­и­ро­ван­ную форму.

В слу­чае дис­со­ци­а­ции ве­ще­ства с мно­го­ва­лент­ны­ми иона­ми, дис­со­ци­а­ция про­ис­хо­дит сту­пен­ча­то. Для каж­дой сту­пе­ни су­ще­ству­ет соб­ствен­ное зна­че­ние кон­стан­ты дис­со­ци­а­ции.

При­мер дис­со­ци­а­ции трех­ос­нов­ной бор­ной кис­ло­ты H₃BO₃.

I сту­пень: Н₃ВО₃ ↔ Н⁺ + Н₂ВО₃^-

I сту­пень: Н₂ВО₃^- ↔ Н⁺ + НВО₃^2-

I сту­пень: НВО₃^2- ↔ Н⁺ + ВО₃^3-

Вы­ра­же­ние кон­стант дис­со­ци­а­ции по каж­дой из этих сту­пе­ней будет вы­гля­деть так:

Из зна­че­ния кон­стант дис­со­ци­а­ции де­ла­ем вывод, что мно­го­ос­нов­ные ве­ще­ства в ос­нов­ном дис­со­ци­и­ру­ют по пер­вой сту­пе­ни.

6. Неорганические кислоты в организме человека

В ор­га­низ­ме че­ло­ве­ка боль­шую роль иг­ра­ют три неор­га­ни­че­ских кис­ло­ты. Это – фос­фор­ная кис­ло­та, уголь­ная и со­ля­ная. Фос­фор­ная кис­ло­та вхо­дит в со­став бу­фер­ных си­стем крови. Бу­фер­ны­ми на­зы­ва­ют­ся такие рас­тво­ры, ко­то­рые при до­бав­ле­нии неболь­ших ко­ли­честв кис­лот или ос­но­ва­ний из­ме­ня­ют свой во­до­род­ный по­ка­за­тель рН. Эти си­сте­мы нужны для того, чтобы под­дер­жи­вать кис­лот­ность крови в опре­де­лен­ном и до­воль­но узком ин­тер­ва­ле. Остат­ки фос­фор­ной кис­ло­ты вхо­дят в остат­ки мно­гих био­ло­ги­че­ски ак­тив­ных ве­ществ, на­при­мер нук­ле­и­но­вых кис­лот и мно­гих фер­мен­тов. Наши кости со­сто­ят из гид­рок­си­да фос­фа­та каль­ция Сa₁₀(PO₄)₆(OH)₂ или гид­рок­сиа­па­ти­та каль­ция, а зубы вклю­ча­ют в себя фто­ра­па­тит каль­ция Сa₁₀(PO₄)₆F₂. Рис. 8.

Рис. 8.

Уголь­ная кис­ло­та также вхо­дит в со­став бу­фер­ных си­стем крови. За счёт дей­ствия лег­ких такие си­сте­мы можно быст­ро и легко ре­гу­ли­ро­вать и можно ва­рьи­ро­вать ко­ли­че­ство уг­ле­кис­ло­го газа в крови.

Со­ля­ная кис­ло­та со­дер­жит­ся в же­лу­доч­ном соке. Она спо­соб­ству­ет де­на­ту­ра­ции и на­бу­ха­нию бел­ков, что об­лег­ча­ет их по­сле­ду­ю­щее рас­щеп­ле­ние фер­мен­та­ми. Она со­зда­ет кис­лую среду, необ­хо­ди­мую для дей­ствия фер­мен­тов. Она от­вет­ствен­на за ан­ти­бак­те­ри­аль­ную среду же­лу­доч­но­го сока.

Под­ве­де­ние итога

Были изу­че­ны такие неор­га­ни­че­ские со­еди­не­ния, как кис­ло­ты. Вы узна­ли о клас­си­фи­ка­ции кис­лот, их хи­ми­че­ских свой­ствах и ме­то­дах по­лу­че­ния.