§ 16. Кислоты

ПОНЯТИЕ О КИСЛОТАХ И ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ МОЛЕКУЛ

Многие вещества, с которыми человек встречается в повседневной жизни, обладают выраженным кислым вкусом: кислый сок лимона обусловлен присутствием лимонной кислоты, простокваша и кефир — молочной кислоты, а пищевой уксус — уксусной кислоты. Однако в профессиональной и учебной химической лаборатории категорически запрещается пробовать любые вещества на вкус: среди неорганических кислот подавляющее большинство соединений чрезвычайно ядовиты, едки и вызывают моментальные химические разрушения живых тканей.

Чтобы безопасно исследовать этот класс соединений, химики изучают их внутреннее молекулярное строение.

Кислоты — это сложные химические вещества, молекулы которых состоят из атомов водорода, способных замещаться атомами металлов, и кислотного остатка.

В химических формулах любых неорганических кислот на первом месте всегда записываются атомы водорода (H), а следом за ними — группа атомов или отдельный неметалл, называемый кислотным остатком:

• В соляной кислоте HCl атом водорода связан с кислотным остатком -Cl (хлорид);
• В серной кислоте H₂SO₄ два атома водорода связаны с кислотным остатком -SO₄ (сульфат);
• В фосфорной кислоте H₃PO₄ три атома водорода соединены с кислотным остатком -PO₄ (фосфат).

НОМЕНКЛАТУРА КИСЛОТ И ВАЛЕНТНОСТЬ КИСЛОТНЫХ ОСТАТКОВ

Поскольку водород в соединениях всегда одновалентен, валентность любого кислотного остатка определяется предельно просто: валентность кислотного остатка строго равна числу атомов водорода в молекуле кислоты.

Сводный каталог важнейших неорганических кислот:

• HCl — соляная (или хлороводородная) кислота. Кислотный остаток -Cl (валентность I);
• H₂S — сероводородная кислота. Кислотный остаток =S (валентность II);
• H₂SO₃ — сернистая кислота. Кислотный остаток =SO₃ (валентность II);
• H₂SO₄ — серная кислота. Кислотный остаток =SO₄ (валентность II);
• HNO₂ — азотистая кислота. Кислотный остаток -NO₂ (валентность I);
• HNO₃ — азотная кислота. Кислотный остаток -NO₃ (валентность I);
• H₂CO₃ — угольная кислота. Кислотный остаток =CO₃ (валентность II);
• H₂SiO₃ — кремниевая кислота. Кислотный остаток =SiO₃ (валентность II);
• H₃PO₄ — фосфорная кислота. Кислотный остаток ≡PO₄ (валентность III).

Знание валентности кислотного остатка — фундамент для безошибочного составления формул солей, оксидов и уравнений будущих химических реакций.

КЛАССИФИКАЦИЯ КИСЛОТ ПО СОСТАВУ И РАСТВОРИМОСТИ

Огромное семейство кислот принято систематизировать по трём фундаментальным признакам:

1. По наличию атомов кислорода в составе кислотного остатка:

• Бескислородные кислоты: их молекулы состоят всего из двух химических элементов — водорода и неметалла (HCl, H₂S, а также HF, HBr, HI). Кислотный остаток кислорода не содержит;
• Кислородсодержащие кислоты: состоят из трёх элементов — водорода, кислорода и кислородообразующего элемента (H₂SO₄, HNO₃, H₃PO₄, H₂CO₃, H₂SiO₃, H₂SO₃, HNO₂).

2. По основности (числу атомов водорода):

• Одноосновные кислоты: содержат один атом водорода (HCl, HNO₃, HNO₂);
• Двухосновные кислоты: содержат два атома водорода (H₂SO₄, H₂S, H₂SO₃, H₂CO₃, H₂SiO₃);
• Трёхосновные кислоты: содержат три атома водорода (H₃PO₄).

3. По растворимости в воде (по справочной Таблице растворимости):

• Подавляющее большинство неорганических кислот великолепно растворяются в воде в любых пропорциях;
• Единственным ярким исключением среди школьного курса является кремниевая кислота (H₂SiO₃): она практически нерастворима в воде и при химических реакциях выпадает в виде студенистого бесцветного или беловатого гелеобразного осадка.

ХИМИЧЕСКИЕ ИНДИКАТОРЫ И РАСПОЗНАВАНИЕ КИСЛОТ

Поскольку пробовать химикаты на вкус смертельно опасно, для распознавания кислот используют специальные вещества — индикаторы (от латинского indicator — указатель). Индикаторы обратимо меняют свой цвет в зависимости от наличия ионов кислотной или щелочной среды.

Поведение индикаторов в кислой среде (Лабораторный опыт):

• Лакмус: нейтральный фиолетовый цвет в растворе любой кислоты мгновенно сменяется на ярко-красный;
• Метилоранж (метиловый оранжевый): свой нейтральный оранжевый цвет в кислой среде превращает в розово-красный;
• Фенолфталеин: в кислой среде остаётся полностью бесцветным (фенолфталеин служит селективным индикатором только на щёлочи, окрашиваясь в малиновый цвет);
• Универсальная индикаторная бумага: полоска бумаги, пропитанная смесью индикаторов, при смачивании каплей кислоты моментально краснеет.

СЕРНАЯ КИСЛОТА (H₂SO₄): ГЛАВНЫЙ СИНТЕТИК И ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

Серная кислота — «тяжёлая артиллерия» химической индустрии, не зря заслужившая титул «хлеба химической промышленности». Впервые её получили средневековые алхимики прокаливанием кристаллов железного купороса, за что она получила историческое название «купоросное масло».

Физические и химические особенности H₂SO₄:

• Это тяжёлая бесцветная вязкая маслянистая жидкость без запаха, почти вдвое тяжелее воды (плотность около 1,84 г/см³);
• Чрезвычайная гигроскопичность: концентрированная серная кислота с непреодолимой силой жадно поглощает воду из любых источников. Она способна вырывать атомы водорода и кислорода в соотношении 2:1 даже из молекул органических веществ. При попадании на сахар H₂SO₄ мгновенно превращает белый кристаллический порошок в вспучивающуюся, горячую чёрную угольную массу; при попадании на ткань, дерево или бумагу оставляет обугленные чёрные дыры.
• Попадание концентрированной серной кислоты на кожу вызывает мгновенные глубокие и труднозаживающие химические ожоги.

Золотое правило техники безопасности при растворении:

Процесс растворения концентрированной серной кислоты в воде сопровождается колоссальным экзотермическим выделением теплоты (+Q).

• ПРАВИЛО: Серную кислоту необходимо аккуратно, тонкой струйкой вливать в воду, непрерывно перемешивая раствор стеклянной палочкой («Не плюй в кислоту!»);
• ПОЧЕМУ НЕЛЬЗЯ НАОБОРОТ: Если лить лёгкую воду в тяжёлую плотную серную кислоту, первые же капли воды останутся на поверхности, мгновенно нагреются выше 100 °C и бурно вскипят, разбрызгивая вокруг опасные капли концентрированной кислоты!

Применение: производство фосфорных и азотных минеральных удобрений, красок, синтетических волокон, лекарств, очистка нефтепродуктов и электролит в свинцовых автомобильных аккумуляторах.

СОЛЯНАЯ КИСЛОТА (HCl): «ДЫМЯЩИЙ» СТРАЖ ЖЕЛУДКА

Соляная (хлороводородная) кислота представляет собой водный раствор газообразного хлороводорода (HCl). В древности алхимики добывали её прокаливанием поваренной соли (NaCl) с купоросом.

Свойства соляной кислоты:

• Газообразный хлороводород растворяется в воде ограниченно: максимальная концентрация соляной кислоты при температуре 20 °C составляет около 36–38%;
• Эффект «дымящей кислоты»: концентрированная соляная кислота при открывании склянки буквально «дымит» белым туманом на воздухе. Выделяющийся летучий хлороводород реагирует с невидимыми парами атмосферной влаги, образуя микроскопические взвешенные капельки кислоты. Пары соляной кислоты чрезвычайно едки и вызывают быструю коррозию металлов, поэтому склянки с HCl хранят герметично закрытыми в вытяжных шкафах.

Биологическая роль в организме человека:

В организме каждого человека соляная кислота синтезируется клетками желудка, составляя около 0,5% массы желудочного сока:

• Активация пищеварения: соляная кислота создает кислую среду, необходимую для работы фермента пепсина, расщепляющего белки мяса и рыбы;
• Санитарный кордон: кислота обладает мощнейшим бактерицидным действием, убивая подавляющее большинство микробов, бактерий и паразитов, попадающих с пищей.

Предостережение врачей: жевание жвачки на голодный желудок рефлекторно запускает выработку желудочного сока. При отсутствии пищи выделившаяся соляная кислота начинает агрессивно разрушать собственную слизистую оболочку желудка, провоцируя развитие гастрита и язвенной болезни.