Тема: «Кислоты, их классификация и химические свойства.
Кислоты – это вещества, в молекуле которых имеется один или несколько атомов водорода, которые могут замещаться атомами металла, и кислотные остатки.
Номенклатура кислот.
Формула кислоты | Название кислоты | Формула кислотного остатка | Название кислотного остатка |
Бескислородные кислоты: | |||
HF | фтороводородная (плавиковая) | -F | фторид |
HCl | хлороводородная (соляная) | -Cl | хлорид |
HBr | бромоводородная | -Br | бромид |
HI | иодоводородная | -I | иодид |
H2S | сероводородная | =S | сульфид |
HCN | циановодородная (синильная) | -CN | цианид |
Кислородсодержащие кислоты: | |||
H2SO4 | серная | =SO4 | сульфат |
H2SO3 | сернистая | =SO3 | сульфит |
HNO3 | азотная | -NO3 | нитрат |
HNO2 | азотистая | -NO2 | нитрит |
H3PO4 | ортофосфорная | =PO4 | фосфат |
H3PO3 | фосфористая | =PO3 | фосфит |
H2CO3 | угольная | =CO3 | карбонат |
H2SiO3 | кремниевая | =SiO3 | силикат |
H2CrO4 | хромовая | =CrO4 | хромат |
H2Cr2O7 | дихромовая | =Cr2O7 | дихромат |
HCIO4 | хлорная | -CIO4 | перхлорат |
HCIO3 | хлорноватая | -CIO3 | хлорат |
HCIO2 | хлористая | -CIO2 | хлорит |
HCIO | хлорноватистая | -CIO | гипохлорит |
HMnO4 | марганцовая | -MnO4 | перманганат |
H2MnO4 | марганцовистая | =MnO4 | манганат |
Получение кислот.
Кислородсодержащие | 1.Кислотный оксид+вода | SO3+H2O=H2SO4 P2O5+3H2O=2H3PO4 |
2.Неметалл+сильный окислитель | P+5HNO3+2H2O=3H3PO4+5NO | |
3.Cоль+менее летучая кислота | NaNO3+H2SO4=HNO3 +NaHSO4 | |
Бескислородные | 1.Водород+неметалл | H2+Cl2=2HCl |
2.Cоль+менее летучая кислота | NaCl+H2SO4=2HCl +NaHSO4 |
Химические свойства.
Кислородсодержащие | Бескислородные |
1.Изменяют окраску индикаторов | |
лакмус-красный, метилоранж-красный (только для растворимых кислот) | |
2.Взаимодействие с металлами, стоящими до водорода | |
H2SO4+Ca=CaSO4+H2 | 2HCl+Ca=CaCl2+H2 |
2.Взаимодействие с основными оксидами | |
H2SO4+CaO=CaSO4+H2O | 2HCl+CaO=CaCl2+H2O |
3.Взаимодействие с основаниями | |
H2SO4+Ca(OH)2=CaSO4+2H2O | 2HCl+Ca(OH)2=CaCl2+2H2O |
4.Взаимодействие с амфотерными оксидами | |
H2SO4+ZnO=ZnSO4+H2O | 2HCl+ZnO=ZnCl2+H2O |
5.Взаимодействие с солями, если образуется малорастворимое, летучее или малодиссоциирующее вещество | |
H2SO4+BaCl2=BaSO4+2HCl | 2HCl+Na2CO3=2NaCl+H2O+CO2 |
6.При нагревании | |
Слабые кислоты легко разлагаются H2SiO3=H2O+SiO2 | H2S=H2+S |
Кислоты. Классификация кислот. Химические свойства.
Слова "кислота" и "кислый" не зря имеют общий корень. Растворы всех кислот на вкус кислые. Это не означает, что раствор любой кислоты можно пробовать на язык – среди них встречаются очень едкие и даже ядовитые. Но такие кислоты как уксусная (содержится в столовом уксусе), яблочная, лимонная, аскорбиновая (витамин С), щавелевая и некоторые другие (эти кислоты содержатся в растениях) знакомы вам именно своим кислым вкусом.
В этом параграфе мы рассмотрим только важнейшие неорганические кислоты, то есть такие, которые не синтезируются живыми организмами, но играют большую роль в химии и химической промышленности.
Все кислоты, независимо от их происхождения, объединяет общее свойство – они содержат реакционноспособные атомы водорода. В связи с этим кислотам можно дать следующее определение:
Кислота – это сложное вещество, в молекуле которого имеется один или несколько атомов водорода и кислотный остаток.
Свойства кислот определяются тем, что они способны заменять в своих молекулах атомы водорода на атомы металлов. Например:
H2SO4 | + | Mg | = | MgSO4 | + | H2 |
серная кислота | металл | соль | водород |
H2SO4 | + | MgO | = | MgSO4 | + | H2O |
серная кислота | оксид | соль | вода |
Давайте на примере серной кислоты рассмотрим ее образование из кислотного оксида SO3, а затем реакцию серной кислоты с магнием. Валентности всех элементов, участвующих в реакции, нам известны, поэтому напишем соединения в виде структурных формул:
Эти примеры позволяют легко проследить связь между кислотным оксидом SO3, кислотой H2SO4 и солью MgSO4. Одно "рождается" из другого, причем атом серы и атомы кислорода переходят из соединения одного класса (кислотный оксид) в соединения других классов (кислота, соль).
Классификация кислот:
а) по наличию или отсутствию кислорода в молекуле и
б) по числу атомов водорода.
По первому признаку кислоты делятся на кислородсодержащие и бескислородные (табл. 8-1).
Таблица 8-1. Классификация кислот по составу.
Кислородсодержащие кислоты | Бескислородные кислоты |
H2SO4 серная кислота H2SO3 сернистая кислота HNO3 азотная кислота H3PO4 фосфорная кислота H2CO3 угольная кислота H2SiO3 кремниевая кислота | HF фтороводородная кислота HCl хлороводородная кислота (соляная кислота) HBr бромоводородная кислота HI иодоводородная кислота H2S сероводородная кислота |
По количеству атомов водорода, способных замещаться на металл, все кислоты делятся на одноосновные (с одним атомом водорода), двухосновные (с 2 атомами Н) и трехосновные (с 3 атомами Н), как показано в табл. 8-2:
Таблица 8-2. Классификация кислот по числу атомов водорода.
К И С Л О Т Ы | ||
Одноосновные | Двухосновные | Трехосновные |
HNO3 азотная HF фтороводородная HCl хлороводородная HBr бромоводородная HI иодоводородная | H2SO4 серная H2SO3 сернистая H2S сероводородная H2CO3 угольная H2SiO3 кремниевая | H3PO4 фосфорная |
** Термин "одноосновная кислота" возник потому, что для нейтрализации одной молекулы такой кислоты требуется "одно основание", т.е. одна молекула какого-либо простейшего основания типа NaOH или KOH:
HNO3 + NaOH = NaNO3 + H2O
HCl + KOH = KCl + H2O
Двухосновная кислота требует для своей нейтрализации уже "два основания", а трехосновная – "три основания":
H2SO4 + 2 NaOH = Na2SO4 + 2 H2O
H3PO4 + 3 NaOH = Na3PO4 + 3 H2O
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.
Индикаторы представляют собой вещества сложного строения. В растворах оснований и в нейтральных растворах они имеют иную окраску, чем в растворах кислот. Об индикаторах мы более подробно расскажем в следующем параграфе на примере их реакций с основаниями.
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. Например:
кислота | основание | соль | вода | |||
H2SO4 | + | Ca(OH)2 | = | CaSO4 | + | 2 H2O |
H3PO4 | + | Fe(OH)3 | = | FePO4 | + | 3 H2O |
2 H3PO4 | + | 3 Ca(OH)2 | = | Ca3(PO4)2 | + | 6 H2O |
Для реакций нейтрализации достаточно, чтобы хотя бы одно из реагирующих веществ было растворимо в воде. Поскольку практически все кислоты растворимы в воде, они вступают в реакции нейтрализации не только с растворимыми, но и с нерастворимыми основаниями. Исключением является кремниевая кислота, которая плохо растворима в воде и поэтому может реагировать только с растворимыми основаниями – такими как NaOH и KOH:
H2SiO3 + 2 NaOH = Na2SiO3 + 2H2O
3. Взаимодействие кислот с основными оксидами. Поскольку основные оксиды – ближайшие родственники оснований – с ними кислоты также вступают в реакции нейтрализации:
кислота | оксид | соль | вода | |||
2 HCl | + | CaO | = | CaCl2 | + | H2O |
2 H3PO4 | + | Fe2O3 | = | 2 FePO4 | + | 3 H2O |
Как и в случае реакций с основаниями, с основными оксидами кислоты образуют соль и воду. Соль содержит кислотный остаток той кислоты, которая использовалась в реакции нейтрализации.
Например, фосфорную кислоту используют для очистки железа от ржавчины (оксидов железа). Фосфорная кислота, убирая с поверхности металла его оксид, с самим железом реагирует очень медленно. Оксид железа превращается в растворимую соль FePO4, которую смывают водой вместе с остатками кислоты.
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).
Во-первых, металл должен быть достаточно активным (реакционноспособным) по отношению к кислотам. Например, золото, серебро, ртуть и некоторые другие металлы с кислотами не реагируют. Такие металлы как натрий, кальций, цинк – напротив – реагируют очень активно с выделением газообразного водорода и большого количества тепла.
кислота | металл | соль | ||||
HCl | + | Hg | = | не образуется | ||
2 HCl | 2 Na | = | 2 NaCl | + | H2 | |
H2SO4 | + | Zn | = | ZnSO4 | + | H2 |
По реакционной способности в отношении кислот все металлы располагаются в ряд активности металлов (табл. 8-3). Слева находятся наиболее активные металлы, справа – неактивные. Чем левее находится металл в ряду активности, тем интенсивнее он взаимодействует с кислотами.
Табл. 8-3. Ряд активности металлов.
Металлы, которые вытесняют водород из кислот | Металлы, которые не вытесняют водород из кислот |
Li K Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Ni Sn Pb (H) самые активные металлы | Cu Hg Ag Pt Au самые неактивные металлы ® |
Во-вторых, кислота должна быть достаточно сильной, чтобы реагировать даже с металлом из левой части табл. 8-3. Под силой кислоты понимают ее способность отдавать ионы водорода H+.
Например, кислоты растений (яблочная, лимонная, щавелевая и т.д.) являются слабыми кислотами и очень медленно реагируют с такими металлами как цинк, хром, железо, никель, олово, свинец (хотя с основаниями и оксидами металлов они способны реагировать).
С другой стороны, такие сильные кислоты как серная или соляная (хлороводородная) способны реагировать со всеми металлами из левой части табл. 8-3.
В связи с этим существует еще одна классификация кислот – по силе. В таблице 8-4 в каждой из колонок сила кислот уменьшается сверху вниз.
Таблица 8-4. Классификация кислот на сильные и слабые кислоты.
Сильные кислоты | Слабые кислоты |
HI иодоводородная HBr бромоводородная HCl хлороводородная H2SO4 серная HNO3 азотная | HF фтороводородная H3PO4 фосфорная H2SO3 сернистая H2S сероводородная H2CO3 угольная H2SiO3 кремниевая |
** Следует помнить, что в реакциях кислот с металлами есть одно важное исключение. При взаимодействии металлов с азотной кислотой водород не выделяется. Это связано с тем, что азотная кислота содержит в своей молекуле сильный окислитель – азот в степени окисления +5. Поэтому с металлами в первую очередь реагирует более активный окислитель N+5, а не H+, как в других кислотах. Выделяющийся все же в каком-то количестве водород немедленно окисляется и не выделяется в виде газа. Это же наблюдается и для реакций концентрированной серной кислоты, в молекуле которой сера S+6 также выступает в роли главного окислителя. Состав продуктов в этих окислительно-восстановительных реакциях зависит от многих факторов: активности металла, концентрации кислоты, температуры. Например:
Cu + 4 HNO3(конц.) =Cu(NO3)2 + 2 NO2 + 2 H2O
3 Cu + 8HNO3(разб.) = 3 Cu(NO3)2 + 2 NO + 4 H2O
8 K + 5 H2SO4(конц.) = 4 K2SO4 + H2S + 4 H2O
3 Zn + 4 H2SO4(конц.) = 3 ZnSO4 + S + 4 H2O
Есть металлы, которые реагируют с разбавленными кислотами, но не реагирует с концентрированными (т.е. безводными) кислотами – серной кислотой и азотной кислотой.
Эти металлы – Al, Fe, Cr, Ni и некоторые другие – при контакте с безводными кислотами сразу же покрываются продуктами окисления (пассивируются). Продукты окисления, образующие прочные пленки, могут растворяться в водных растворах кислот, но нерастворимы в кислотах концентрированных.
Это обстоятельство используют в промышленности. Например, концентрированную серную кислоту хранят и перевозят в железных бочках.
Задачи.
8.10. Напишите реакции нейтрализации между кислотами и основаниями, в результате которых получаются следующие соли: Al2(SO4)3, NiCO3, Fe(NO3)3, Mg3(PO4)2, PbS, Li2SO4.
8.11. Сколько P2O5 необходимо для получения 392 кг фосфорной кислоты H3PO4?
** 8.12 (ФМШ). При растворении в H2SO4 10,48 г смеси оксидов CuO и ZnO образовалось 20,88 г смеси безводных сульфатов CuSO4 и ZnSO4. Определите состав взятой смеси.
** 8.13. Напишите формулы водородных соединений пяти элементов главной подгруппы VI группы. Все они в той или иной мере являются кислотами. Исходя из закономерностей Периодической таблицы, расположите эти кислоты в ряд от самой слабой до самой сильной кислоты.
- К следующему параграфу