Слово «кислота» происходит от слова «кислый» благодаря кислому вкусу кислот. В этом легко убедиться на примере пищевых кислот – уксусной, аскорбиновой, лимонной, яблочной и т. д. Кислый вкус объясняется наличием ионов Н+ во всех кислотах.
Кислоты – это сложные соединения, в молекулах которых содержится один или несколько атомов Н, соединенных с кислотным остатком и способных замещаться атомами металлов (или аммонийной группой NH4+).
Кислотный остаток – это атом или группа атомов, которые образуются при отщеплении от молекулы кислоты одного или нескольких ионов водорода Н+.
Номенклатура кислот. Международные названия кислот происходят от названий кислотных остатков. Например: H2SO4 – серная кислота; HNO3 – азотная кислота. Но чаще пользуются тривиальными названиями кислот (табл. 11.6). Если элемент в одной и той же степени окисления образует несколько кислородсодержащих кислот, то к названию кислоты прибавляют префикс мета- (если на один центральный атом приходится меньшее количество атомов О) или орто- (если на один центральный атом приходится большее количество атомов О). Например: НРО3 – метафосфорная кислота, Н3РО4 – ортофосфорная кислота. Кроме того, используют еще префикс ди, если в состав молекулы входит два атома элемента: дихроматная H2Cr2O7, дифосфатная Н4Р2О7.
Таблица 11.6– Международная и тривиальная (в скобках) номенклатура кислот
Формула кислоты
Современные названия кислот
Формула кислоты
Современные названия кислот
HF
фтороводородная (плавиковая)
H3PO4
ортофосфорная
HCl
хлороводородная (соляная)
HPO3
метафосфорная
HBr
бромоводородная
H2CrO4
хромовая
HI
йодоводородная
H2Cr2O4
двухромовая
H2S
сероводородная
HClO4
хлорная
HCN
синильная
HClO3
хлорноватая
HNO3
азотная
HClO2
хлористая
HNO2
азотистая
HClO
хлорноватистая
H2SO4
серная
H2CO3
угольная
H2SO3
сернистая
H2SiO3
кремниевая
H2S2O3
тиосульфатная
H3BO3
борная
H2S4O6
дитионатная
H3AsO4
мышьяковая
НСООН
муравьиная
H3AsO3
мышьяковистая
СН3СООН
уксусная
HMnO4
марганцевая
Н4Р2О7
пирофосфорная
H2MnO4
марганцовистая
Классификация кислот проводится по разным признакам (табл. 11.7).
По составу кислотного остатка кислоты подразделяются на:
кислородсодержащие, в состав которых входят атомы кислорода (HNO3, H2SO4, H2CO3);
бескислродные, не содержащие атомов О (НСl, НІ, H2S).
По силе электролита кислоты подразделяются на:
сильные электролиты (HCl, HBr, HNO3, H2SO4, HClO4), которые в разбавленных растворах практически полностью распадаются на ионы, например:
НСl Н+ + Сl–,
H2SO4, 2Н+ + SO42–;
слабые электролиты (HF, H2S, HCN, HNO2, H2CO3, H2SiO3), которые диссоциируют очень мало, например, угольная кислота:
I ступень: H2СO3?H+ + HСO3–,
II ступень: HСO3–?H+ + СO32–.
электролиты средней силы, которые в разбавленных растворах ограниченно распадаются на ионы, например, сернистая кислота:
I ступень: H2SO3 Н+ + НSO3–,
II ступень: НSO3–?Н+ + SO32–.
По основности кислоты подразделяются на:
одноосновные, в которых только один атом Н может замещаться атомом металла, например: НСІ, HNO3. К этой группе относится и много органических кислот, содержащих большое количество атомов Н, но замещаться атомом металла может только один – тот, который связан с атомом О, например, муравьиная НСООН, уксусная СН3СООН, стеариновая С17Н35СООН;
двухосновные (H2S, H2SO4);
многоосновные (H3PO4, H3BO3, Н4Р2О7, Н5ІО6).
По окислительной способности кислоты подразделяются на:
неокислительные, в которых невысокие окислительные свойства обусловлены исключительно ионами Н+;
окислительные, в которых окислительные способности проявляет кислотный остаток (табл. 11.7).
Таблица 11.7 – Классификация кислот
Классификация кислот
По составу
По силе электролита
По основности
По окислительной способности
Бескислородные
НСІ, НІ, H2S
Сильные
H2SO4, HNO3, НСІ, HBr, НІ, H2CrO4, HClO4, HMnO4
Одноосновные:
НСІ, HBr, HClO4, СН3СООН, HPO3
Неокислительные:
H2SO4(разб), НСІ, HBr, НІ, HCN, H3PO4, НСООН, СН3СООН и другие органические кислоты
Средней силы:
H2SO3, HNO2, H3PO4
Двухосновные
H2SO4, H2SiO3,
Кислородсодержащие
HNO3, H2SO4, H2CO3
Слабые
HF, H2S, HCN,HNO2, HClO , H2CO3,H2SiO3, НСООН, СН3СООН и другие органический кислоты
Трехосновные
H3PO4, H3BO3
Окислительные:
H2SO4(конц), HNO3, H2CrO4, HClO4,
Многоосновные
H4P2O7, H5ІO6
Физические свойства кислот. Почти все кислоты, за исключением некоторых (H3BO3, H2SiO3), хорошо растворяются в воде. При обычных условиях кислоты бывают жидкими (H2SO4, H2SO3), но есть и твердые кислоты (H2SiO3). Плотности, температуры плавления и кипения кислот изменятся в широком диапазоне.
Химические свойства кислот бывают: 1) общие – обусловлены наличием атомов водорода; 2) специфические – характерны для каждой конкретной кислоты. Специфические свойства кислот рассматриваются при изучении элементов, которые входят в состав отдельных кислот. Наиболее важные свойства кислот приведены в табл. 11.8.
Таблица 11.8 – Общие свойства кислот
1. Действие на индикаторы
Лакмус
красный
Метиловый оранжевый
розовый
Фенолфталеин
бесцветный
2. Устойчивость к нагреванию
Бескислородные кислоты (H2S, HI) при нагревании разлагаются на водород и неметалл, слабые кислородсодержащие кислоты (H2CO3, H2SiO3) – на
H2S H2 + S,
2HI H2 + I2;
Слабые кислоты:
ангидрид и воду. При нагревании сильных кислородсодержащих кислот (HNO3, HMnO4, HClO3) происходят внутримолекулярные окислительно-восстановительные реакции
H2CO3 CO2? + H2O,
H2SiO3 SiO2? + H2O;
Сильные кислоты:
4HNO3 4NO2? + O2? + 2H2O,
4HMnO4 4MnO2? + 3O2? + 2H2O,
2HClO3 2HCl + 3O2?
3. Взаимодействие неокислительных кислот с металлами
зависит от состава кислоты и от положения метала в ряду напряжений металлов
Неокислительные кислоты (H2SO4(разб), HF, HCl, HBr, HI, H3PO4, CH3COOH и др.) взаимодействуют только с металлами, которые стоят в ряду напряжений до Н2. Если металл проявляет переменные валентности, то он окисляется минимально (например, Fe0 и Cr0 до Fe+2 и Cr+2). Если продуктом реакции является малорастворимая соль, то она покрывает поверхность металла прочной пленкой и реакция прекращается (примеры с Al и Pb)
2HCl + Mg MgCl2 + H2,
2HCl + Fe FeCl2 + H2?,
H2SO4(разб) + Cr CrSO4 + H2?.
Образование нерастворимой пленки на поверхности металла:
2H3PO4 + 2Al 2AlPO4? + 3H2?,
H2SO4(разб) + Pb PbSO4? + H2?
4. Взаимодействие окислительных кислот с металлами
Особенность: водород не выделяется, потому что окислительные кислоты (H2SO4(конц), HNO3(конц), HNO3(разб)) окисляют металл за счет кислотного остатка. Но в случае самых активных металлов (Li, Na, K, Mg) в очень разбавленных растворах Н2 может выделяться, потому что при взаимодействии с кислотой одновременно проходит реакция с водой, которая имеется в растворе.
Вторая особенность: пассивирующее действие окислительных кислот, в результате которого на поверхности некоторых металлов (Al, Cr, Fe, Ti) появляется защитная малорастворимая пленка и реакция прекращается
Концентрированная серная кислота H2SO4(конц) может восстанавливаться малоактивными металлами до SO2, металлами средней активности – до S0, активными металлами – до H2S
2Ag + 2H2SO4(конц) Ag2SO4 + SO2? + 2H2O,
3Ni + 4H2SO4(конц) 3NiSO4 + S + 4H2O,
4Mg + 5H2SO4(конц) 4MgSO4 + H2S? + 4H2O.
Обычно активные металлы взаимодействуют с H2SO4(конц) с образованием смеси продуктов, т. е. одновременно протекает несколько реакций:
Zn + 2H2SO4(конц) ZnSO4 + SO2? + 2H2O,
Zn + 4H2SO4(конц) 3ZnSO4 + S? + 4H2O,
4Zn + 5H2SO4(конц) 4ZnSO4 + H2S?+ 4H2O
Разбавленная азотная кислота HNO3(разб) с малоактивными металлами (Cu, Ag, Hg, Pb) восстанавливается до оксида азота (ІІ), металлами средней части ряда напряжений (Fe, Cd, Ga) – до N2O или N2.
Очень разбавленная азотная кислота с активными металлами (Mg, Al, Zn, V, Nb) восстанавливается до аммиака NH3 (или до иона аммония NH4+, который с избытком кислоты дает нитрат аммония NH4NO3)
3Cu + 8HNO3(разб) 3Cu(NO3)2 + 2NO? + 4H2O,
3Ag + 4HNO3(разб) 3AgNO3 + NO? + 2H2O,
10Fe + 36HNO3(разб) 10Fe(NO3)3 + 3N2? + 18H2O,
4Cd + 10HNO3(разб) 4Cd(NO3)2 + N2O? + 5H2O,
4Mg + 9HNO3(очень разб) 4Mg(NO3)2 + NH3?+ 3H2O,
8Al + 30HNO3(очень разб. избыток)
8Al(NO3)3 + 3NH4NO3 + 9H2O
Концентрированная азотная кислота HNO3(конц) восстанавливается до оксида азота (IV) NO2 («бурый» газ), а металл при этом окисляется до высоких степеней окисления (рис. 11.9)
Cu + 4HNO3(конц) Cu(NO3)2 + 2NO2?+ 2H2O,
Sn + 4HNO3(конц) H2SnO3? + 4NO2? + H2O
5. Отношение к оксидам
С основными и амфотерными оксидами кислоты образуют средние соли, а с кислотными оксидами обычно не взаимодействуют.
Исключенияя: 1) реакция кислородсодержащих кислот с кислотным оксидом P2O5, который имеет гигроскопичные свойства и отщепляет воду от кислоты; 2) образование поликислот
H2SO4 + CuO CuSO4 + H2O,
2HCl + ZnO ZnCl2 + H2O.
Однако:
1) отщепление воды от кислородсодержащей кислоты:
6HNO3+ P2O5 2H3PO4+ 3N2O5 ?;
2) образование поликислот:
H2CrO4 + CrO3 H2Cr2O7,
4H3PO4 + P2O5 3H4P2O7
6. Реакции с основаниями
Кислоты вступают с основаниями в реакцию нейтрализации
KOH + HCl KCl + H2O,
3H2SO4 + 2Al(OH)3 Al2(SO4)3 + 6Н2О
Многоосновные кислоты со щелочами могут образовывать средние и кислые соли
H3AsO4 + 3KOH K3AsO4 + 3H2O,
H3AsO4 + 2KOH K2HAsO4 + 2H2O,
H3AsO4 + KOH KH2AsO4 + H2O
7. Взаимодействие с солями
Кислоты реагируют c солями, если в результате реакции образуются осадок, газ или слабый электролит
H2SO4 + K2SiO3 H2SiO3?+ K2SO4,
H2SO4 + BaCl2 BaSO4?+ 2HCl,
2HNO3 + CaCO3 Ca(NO3)2 + CO2? + H2O,
HCl + NaNO2 HNO2 + NaCl
С кислыми солями
NaHCO3 + HCl NaCl + CO2? + H2O,
Na2HPO4 + H3PO4 2NaH2PO4
С основными солями
Al(OH)2Cl + 2HCl AlCl3 + 2H2O
С комплексными солями, в составе которых есть гидроксильная группа ОН–
Na2[Zn(OH)4] +2H2SO4 ZnSO4 + Na2SO4 + 4H2O,
Na3[Al(OH)6] + 6HCl AlCl3 + 3NaCl + 6H2O
8. Взаимодействие с бинарными соединениями
С аммиаком неокислительные кислоты вступают в реакции соединения, а окислительные – окисляют азот (–3) до более высоких степеней окисления
NH3 + HCl NH4Cl,
2NH3 + H2SO4(разб) (NH4)2SO4,
однако:
2N–3H3 + 3H2S+6O4(конц) N20 + 3S+4O2, + 6H2O,
5N–3H3 + 3HN+5O3(конц) 4N20 + 9H2O
С пероксидами неокислительные кислоты дают пероксид водорода, а окислительные – кислород. Однако бескислородные кислоты (HBr, HI, H2S) могут восстанавливать пероксидные атомы О
Получение кислот. Для каждой кислоты разработаны индивидуальные способы промышленного получения. Полезно знать и общие способы (табл. 11.9). Так, бескислородные кислоты получают при растворении в воде соответствующих газов (например, HCl, HBr, HI, H2S).
Таблица 11.9 – Способы получения кислот
1. Гидратация кислотных оксидов
Таким способом получают растворимые кислородсодержащие кислоты.
Отдельные оксиды (например, Р2О5, NO2) с водой могут давать несколько кислот
SO3 + H2O H2SO4,
N2O5 + H2O 2HNO3,
Р2О5 + H2O 2НРО3,
Р2О5 + 2H2O Н4Р2О7,
Р2О5 + 3H2O 2Н3РО4,
2NO2 + H2O HNO2 + HNO3.
Однако:
4NO2 + О2 + 2H2O 4HNO3
2. Обменная реакция соли с другой кислотой
Реакции этого типа протекают, если продуктом являются осадок, газ, слабая кислота
Na2SiO3 + H2SO4 Na2SO4 + H2SiO3?,
FeS + H2SO4(разб) FeSO4 + H2S,
AgNO3 + HCl HNO3 + AgCl?,
CuSO4 + H2S H2SO4 + CuS?
3. Взаимодействие активных неметаллов с водой
Обычно это реакции хлора или брома с водой, в результате образуется смесь двух кислот
Cl2 + H2O HCl + HClO,
Br2 + H2O HBr + HBrO,
4. Гидролиз некоторых бинарных соединений
Чаще всего используют галогениды фосфора (ІIІ) или фосфора (V)
PCl5 + 4H2O H3PO4 + 5HCl,
PI3 + 3H2O H3PO3 + 3HI
5.Окислительно-восстановительные реакции
Кислоты образуются при окислении неметаллов, низших оксидов и других соединений
3P0 + 5HN+5O3 + 2H2O 3H3P+5O4 + 5N+2O,
2S+4O2 + O02 + 2H2O 2H2S+6O–24.
Ключевые слова и термины
Русский
Украинский
Английский
Французский
Арабский
кислотный остаток
acid residue
acide r?sidu
????? ???
пассивация
immunization, passivation
passivation
????
Контрольные вопросы
Какие соединения называются кислотами?
Что называется кислотным остатком?
Что такое основность кислоты?
На какие типы подразделяются кислоты: а) по основности; б) по растворимости в воде; в) по силе электролита; г) по содержанию атомов кислорода; д) по окислительной способности? Приведите примеры.
Охарактеризуйте отношение соляной и разбавленной серной кислот к металлам.
Охарактеризуйте отношение концентрированной серной кислоты к металлам.
В чем отличие взаимодействия с металлами концентрированой и разбавленной HNO3?
С какими оксидами могут взаимодействовать кислоты?
Приведите примеры реакций получения кислот.
Задания для самостоятельной работы
Предложенные задания имеют по четыре варианта ответов, из которых правильным может быть один или несколько.
Кислоты – это электролиты, которые в растворах диссоциируют с образованием:
а) ионов водорода; б) гидроксогрупп; в) катионов металла; г) соли и воды.
Атомы какого химического элемента обязательно входят в состав кислот?
а) кислорода; б) водорода; в) азота; г) углерода.
Выберите сильную кислоту:
а) HCOOH; б) HBr; в) H2SO4; г) H3PO4.
Выберите самую слабую кислоту:
а) азотная; б) серная; в) угольная; г) сернистая.
Чем определяется основность кислоты:
а) количеством гидроксильных групп; б) количеством атомов водорода, которые могут замещаться на металл; в) алгебраическим зарядом кислотного остатка; г) количеством кислотных остатков?
Укажите одноосновную кислоту:
а) CH3COOH; б) HBr; в) H2SO4; г) H3PO4.
Какие кислоты диссоциируют в одну стадию:
а) HCl и HNO3; б) CH3COOH и HCN; в) HBr и HNO2; г) H2СO3 и H3PO4?
Какое соединение можно использовать для нейтрализации серной кислоты:
а) HNO3; б) Mg(OH)2; в) СН3СООН; г) NaHSO4?
Какая кислота может образовывать кислые соли:
а) HNO2; б) HNO3; в) H2CO3; г) CH3COOH?
При каком условии в результате реакции H2SO4 с металлом выделяется водовод:
а) если металл в ряду напряжений стоит после водорода, а кислота концентрированная; б) если металл в ряду напряжений стоит до водорода, а кислота разбавленная; в) если кислота концентрированная; г) водород не выделяется ни при каких условиях?
Н+ + Сl–,
