6.2 Кислоты, их свойства и получение

6.2.  Кислоты, их свойства и получение

С точки зрения теории электролитической диссоциации кислота – химическое соединение при диссоциации в воде которого в качестве катионов образуются только ионы Н⁺. Представления о кислотах и основаниях, вытекающих из теории электролитической диссоциации Аррениуса, применимы только для водных растворов. Исследование процессов, протекающих в неводных средах, без участия растворителя, потребовало существенных дополнений и привело появлению различных теорий кислот и оснований.

Классификация и номенклатура кислот

Различают бескислородные (H₂S, HBr, HCl) и кислородсодержащие (H₃PO₄, HNO₃, HClO₃) кислоты.

В свободном состоянии неустойчивы угольная (H₂CO₃) и сернистая (H₂SO₃) кислоты. Различают также сильные (H₂SO₄, HNO₃, HCl, HBr, HI, HClO₄ и др.) и слабые (H₂S, H₂CO₃, HCN, H₂SO₃, HClO и др.) кислоты.

Число ионов водорода, образующихся при диссоциации формульной единицы кислоты, определяет ее основность.

Названия кислородсодержащих кислот производятся от названия неметалла с добавлением окончания -ная, -вая, если степень окисления неметалла является максимальной. По мере понижения степени окисления суффиксы меняются следующим образом: -оватая, -истая, -оватистая.

Примеры названий некоторых кислородсодержащих кислот приведены в табл.

Таблица     Названия некоторых кислородсодержащих кислот

Формула кислоты	Название кислоты	Формула кислоты	Название кислоты
HClO	Хлорноватистая	HNO2	Азотистая
HClO2	Хлористая	HNO3	Азотная
HClO3	Хлорноватая	H2SO3	Сернистая
HСlO4	Хлорная	H2SO4	Серная

Названия бескислородных кислот состоят из названия неметалла с добавлением соединительной гласной о и слова –водородная. Например:

HF – фтороводородная кислота,

HCl – хлороводородная кислота,

H₂S – сероводородная кислота.

 Получение кислот

1. Большинство кислородсодержащих кислот получают при взаимодействии кислотных оксидов с водой.

2.  Для получения нерастворимых в воде кислот используют косвенный метод (действием кислоты на соответствующую соль):

Na₂SiO₃ + H₂SO₄ → H₂SiO₃ ↑ + Na₂SO₄.

3. Некоторые бескислородные кислоты получают при непосредственном соединении неметаллов с водородом:

H₂ + Cl₂ → 2 HCl,

S + H₂ → H₂S.

или по реакции обмена между солью и кислотой:

NaCl + H₂SO_4(конц) → HCl + NaHSO₄

Общие свойства кислот

Кислоты представляют собой жидкости (H₂SO₄, HNO₃, HCl и т.д.) или твердые вещества (H₃PO₄, H₃BO₃ и др.).

Растворы сильных кислот могут разрушать ткани и кожу.

Растворы кислот изменяют цвет индикаторов, что используется для их качественного обнаружения. В качестве индикаторов используют лакмус (в нейтральной среде – фиолетовый, в кислой – красный, в щелочной – синий), метилоранж (в нейтральной среде – оранжевый, в кислой – красный, в щелочной – желтый) и другие.

Сила бескислородных кислот, например, в ряду HCl – HBr – HI, возрастает с увеличением радиуса аниона, поскольку анион большего радиуса слабее удерживает протон, облегчая тем самым диссоциацию кислоты. Таким образом, в главных подгруппах периодической системы сверху вниз сила бескислородных кислот возрастает с увеличением радиуса центрального атома.

Наоборот, в ряду HClO – HClO₂ – HClO₃ – HClO₄ с уменьшением радиуса катиона С1^z+ и увеличением его заряда сила кислородсодержащих возрастает.

Важнейшими химическими свойствами кислот являются:

взаимодействие с основными и амфотерными оксидами, основаниями и солями:

CaO + H₂SO₄ → CaSO₄ + H₂O,

ZnO + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂O,

2 Fe(OН)₃ + 3 H₂SO₄ → Fe₂(SO₄)₃ + 6 H₂O,

BaCl₂ + H₂SO₄ → BaSO₄ + 2HCl;

взаимодействие кислоты с основанием – реакция нейтрализации;

взаимодействие с металлами с образованием соли и выделением водорода:

Mg + 2 HCl → MgCl₂ + H₂,

Fe + H₂SO_4(разб) → FeSO₄ + H₂.

Водород из кислот не вытесняют металлы, стоящие в ряду стандартных электродных потенциалов (в ряду напряжений) правее водорода. При взаимодействии металлов с концентрированной серной кислотой и азотной кислотой водород как правило не выделяется.

Свойства концентрированной серной кислоты

Концентрированная серная кислота в реакциях с металлами может восстанавливаться до SO₂, S или H₂S. Состав продуктов восстановления определяется активностью металла, концентрацией кислоты и температурой реагирующей системы. При обычной температуре концентрированная H₂SO₄ не реагирует с золотом и платиной, а некоторые металламы (Fe, Cr, Al) пассивируются в концентрированной серной кислоте.

Малоактивные металлы (стоящие в ряду стандартных электродных потенциалов правее водорода) восстанавливают концентрированную серную кислоту до SO₂:

Cu + 2 H₂SO_4(конц) → CuSO₄ + SO₂ ↑+ 2 H₂O.

Активные металлы (Ca, Mg, Zn и др.) восстанавливают концентрированную H₂SO₄ до свободной серы или H₂S:

3 Zn + 4 H₂SO_4(конц) → 3 ZnSO₄ + S ↑ + 4H₂O,

4 Ca + 5 H₂SO_4(конц) → 4 CaSO₄ + H₂S ↑ + 4H₂O.

При взаимодействии серной кислоты с неметаллами образуется SO₂:

C + H₂SO_4(конц) → 2 SO₂↑ + CO₂↑ + 2H₂O,

S + 2 H₂SO_4(конц) → 3 SO₂↑ + 2H₂O,

2 P + 5 H₂SO_4(конц) → 5 SO₂ ↑ + 2 H₃PO₄ + 2H₂O.

При взаимодействии концентрированной H₂SO₄ с соединениями, содержащими катионы металлов, находящимися в низшей степени окисления, происходит дальнейшее окисление этих металлов:

2 FeO + 4 H₂SO_4(конц)  → Fe₂(SO₄)₃ + SO₂ ↑ + 4 H₂O. 

Свойства азотной кислоты

Азотная кислота окисляет большинство элементов до их высшей степени окисления. Взаимодействие HNO₃ различной концентрации с металлами различной активности представлено в виде следующей схемы:

Разбавленная		HNO3		Концентрированная
С тяжелыми металлами	С щелочноземельными металлами, а также с Zn, Fe, Sn	Не действует на Fe, Cr, Al, Au, Pt	С щелочными и щелочноземельными металлами	С другими тяжелыми металлами
NO	NH4NO3		N2O	NO2

Таким образом, при взаимодействии концентрированной HNO₃ с малоактивными металлами образуется NO₂:

Ag + 2 HNO_3(конц)  → AgNO₃ + NO₂ ↑ + H₂O.

При действии разбавленной HNO₃ на малоактивные металлы выделяется NO:

3 Cu + 8 HNO_3(разб)  → 3 Cu(NO₃)₂ + 2 NO ↑ + 4 H₂O,

а в случае активных металлов образуется NH₄NO₃:

4 Ca + 10 HNO_3(разб)  → 4 Ca(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3 H₂O.

При взаимодействии концентрированной азотной кислоты с неметаллами образуется, как правило, NO:

3 C + 4 HNO_3(разб)  → 3 CO₂ ↑ + 4 NO ↑ + 2H₂O,

P + 5 HNO_3(разб) + 2 H₂O → 3H₃PO₄ + 5NO ↑.

При взаимодействии концентрированной HNO₃ с соединениями, содержащими катионы металлов, находящимися в низшей степени окисления, происходит дальнейшее окисление этих металлов:

FeO + 4 HNO_3(разб)  → Fe(NO₃)₃ + NO₂ ↑ + 2 H₂O.

Следует отметить, что продуктами восстановления азотной кислоты с металлами являются и азот, и даже водород, причем, как правило, образуется смесь веществ. Чем активнее металл и чем меньше концентрация , тем глубже она восстанавливается.

Fe*, Аl* с концентрированной азотной кислотой и холодной концентрированной серной кислотой не реагируют, поэтому данные кислоты можно перевозить в алюминиевых и стальных цистернах.

Например:
а) с азотной кислотой
10 HNO_3(конц.) + 8Na = 8Na NO₃ + N₂O + 5H₂O
4 H NO_3(конц.) + Zn = Zn(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O
4 H NO_3(конц.) + Cu = Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O
8 HNO_3(разб.) + 3Cu = 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O
36 H NO_3(разб.) + 10Fe = 10Fe(NO₃)₃ + 3N₂ + 18H₂O
9 HNO_3(разб.) + 8Na = 8Na NO₃ + NH₃ + 3H₂O

б) с концентрированной серной кислотой

Zn + 2H₂SO_4(конц.) = ZnSO₄ + SO₂ + 2H₂O
4Zn + 5H₂SO_4(конц.) = 4ZnSO₄ + H₂S + 4H₂O
3Zn + 4H₂SO_4(конц.) = 3ZnSO₄ + S + 4H₂O
Сu + 2H₂SO_4(конц.)  = Сu SO₄ + SO₂ + 2H₂O

в) смесь, состоящая из одной части концентрированной соляной кислоты и трёх частей концентрированной азотной кислоты растворяет золото. Такая смесь называется царской водкой. 
Au + HNO₃ + 4HCl = H[AuCl₄] + NO + 2H₂O

УПРАЖНЕНИЯ

1.     Из приведённого перечня выберите кислоты, назовите их, определите тип.
1) HNO₂ 2) Li₂O 3) H₂S 4) CuSO₄ 5) P₂O₅ 6) Al(OH)₃  7) HCl 8) H₂SO₄

Решение:

1) Азотистая кислота – одноосновная, кислородсодержащая
3) Сероводородная кислота – двухосновная, бескислородная
7) Соляная кислота – одноосновная, бескислородная
8) Серная кислота – двухосновная, кислородсодержащая

________________________________________________________________

2.     С какими из перечисленных веществ может реагировать а) HCl б) H₂SO_{4(раствор)}
1)Na₂O 2)SO₃ 3)H₂O 4) AgNO₃ 5)HNO₃  6)Na₂SO₄  7)BaCl₂  8)Mg 9)Cu 10) NaOH

Решение:

HCl реагирует с веществами 1,4,8,10
H₂SO₄ реагирует с веществами 1,4,7,8,10

________________________________________________________________

3.     Имеются два сосуда, содержащие 40 и 20 кг раствора кислоты различной концентрации. Если их слить вместе, то получится раствор, содержащий 33% кислоты. Если же слить равные массы этих растворов, то полученный раствор будет содержать 47% кислоты. сколько килограммов кислоты содержится в первом растворе?

Решение:

По известным данным составим пропорцию.

1). 100% - 60 кг

     33% - х кг        х=60·33:100=19,8 (кг) - кислоты содержится всего в двух растворах.

Возьмём по 20 кг каждого раствора, всего будет 40 кг и найдем  сколько там будет содержаться кислоты.

2). 100% - 40 кг

     47% -  х кг       х=47·40:100=18,8 (кг) - кислоты содержится в растворах, если взять равные массы.

3). 19,8-18,8=1 (кг) - кислоты осталось в оставшихся двадцати килограммах раствора. Это как раз первый раствор, содержание кислоты в котором необходимо узнать.

Так как в двадцати килограммах содержится 1 кг кислоты, то в сорока килограммах будет содержаться в два раза больше, то есть 2 кг кислоты.

Ответ: 2 кг.

________________________________________________________________

4.     Во что перейдёт сера? Допишите и уравняйте реакции:

 (конц.) 

Решение:

 (конц.) 

(концентрированная азотная кислота очень сильный окислитель)

________________________________________________________________

ЗАДАНИЯ  ДЛЯ  САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

1.     С какими из следующих металлов:

 - реагирует разбавленная серная кислота? Напишите уравнения реакций в молекулярном и ионном виде.

2.     Напишите уравнения реакций следующих превращений:

3.     Напишите молекулярные и ионные уравнения реакций между:

а) хлороводородной кислотой и гидроксидом магния;

б) азотной кислотой и гидроксидом калия;

в) азотной кислотой и гидроксидом цинка;

г) серной кислотой и гидроксидом меди (II).

4. С какими из следующих веществ будет реагировать соляная кислота:

 Напишите уравнения реакций в молекулярной и ионной формах.

5. С какими из следующих веществ будет реагировать сернистая кислота:

 Напишите уравнения реакций в молекулярной и ионной формах.

6. С какими из следующих веществ будет реагировать соляная кислота:

 Напишите уравнения реакций в молекулярной и ионной формах.

7.  С какими из следующих веществ будет реагировать разбавленная серная кислота:

 Напишите уравнения реакций в молекулярной и ионной формах.

8. Сколько граммов ортофосфорной кислоты получается при растворении 284 г Р₂О₅ в воде.

9. К 1 л 10%-ного раствора Н₂SO₄ (p = 1,066 г/ мл) добавили 50 г КОН. Какова среда полученного раствора: кислая, щелочная, нейтральная.

10. На смесь меди и оксида меди (II) массой 75 г подействовали избытком концентрированной НNO₃. При этом образовался газ объемом 28,88 л (н.у.). Определите массовую долю оксида меди (II) в исходной смеси.

1.     Формулы только сильных кислот приведены в ряду:
а) HCl,  H3PO4,  H2SO4	б) H2SO4,  H2SO3,  HNO3
в) HNO3, HCl,  H2SO4	г) HNO2,   HNO3,  H2SO4
2.     С какими веществами реагирует соляная кислота:
а) серебром	б) силикат калия
в) оксид кремния (IV)	г) сульфат меди (II)
3.     Непосредственным растворением соответствующих оксидов в воде нельзя  получить кислоты:
а)ортофосфорную	б) кремниевую
в) азотную	г) серную
4.     В каких парах вещества могут реагировать между собой:
а) серная кислота и карбонат калия	б) нитрат серебра и ортофосфорная кислота
в) соляная кислота и железо	г) все ответы верны
5.     Двухосновными кислотами являются:
а) уксусная	б) соляная
в) ортофосфорная	г) угольная
6.     Ортофосфорная кислота не  реагирует с:
а) оксидом кальция	б) гидроксидом калия
в) аммиаком	г) оксидом кремния (IV)
7.     Какие кислоты более сильные, чем ортофосфорная кислота:
а) угольная	б) все ответы верны
в) соляная	г) кремниевая
8.     Укажите формулу самой сильной кислородсодержащей кислоты хлора:
а) HClO	б) HClO3
в) HClO4	г) HClO2
9.     При внесении каких металлов в разбавленный раствор серной кислоты выделяется водород:
а) меди	б) все ответы верны
в) цинка	г) серебра
10.                        В отличие от соляной кислоты концентрированная серная кислота при определенных условиях может реагировать с:
а) гидроксидом калия	б) нитратом натрия
в) оксидом алюминия	г) оксидом углерода (IV)

Ответы:

1	в
2	б
3	б
4	г
5	г
6	г
7	в
8	в
9	в
10	б