Кислоти — ОСНОВНІ КЛАСИ НЕОРГАНІЧНИХ СПОЛУК — ЗАГАЛЬНА ХІМІЯ — Хімія підготовка до ЗНО та ДПА
ЧАСТИНА І
ЗАГАЛЬНА ХІМІЯ
ОСНОВНІ КЛАСИ НЕОРГАНІЧНИХ СПОЛУК
Кислоти
Поняття про кислоти, їхній склад та назви
Кислоти — це складні речовини, які складаються з атомів Гідрогену, що можуть заміщатися атомами металічних елементів, та кислотних залишків.
Згідно із теорією кислот та основ Арреніуса, кислотам можна дати інше визначення, а саме: кислоти — це складні речовини, які у водних розчинах піддаються електролітичній дисоціації з утворенням іонів Гідрогену.
Найважливіші кислоти
Назва | Формула | Традиційна назва | Кислотний залишок і його валентність | Назва кислотного залишку |
Боратна | Н3ВО3 | борна | III ВО3 | борат |
Бромідна | НВr | бромоводнева | I Вr | бромід |
Дихроматна | Н2Сr2O7 | дихромова | II Сг2O7 | дихромат |
Етанова | СН 3СООН | оцтова | I CH3COO | ацетат |
Йодидна | НІ | йодоводнева | I І | йодид |
Карбонатна | H2CO3 | вугільна | II CO3 | карбонат |
Нітратна | HNO3 | азотна | I NO3 | нітрат |
Нітритна | HNO2 | I NO2 | нітрит | |
Перманганатна | НМnO4 | марганцева | I МnO4 | перманганат |
Перхлоратна | HClO4 | хлорна | I СlO4 | перхлорат |
Силікатна | H2SiO3 | кремнієва | II SiO3 | силікат |
Сульфатна | H2SO 4 | сірчана | II SO4 | сульфат |
Сульфітна | H2SO3 | сірчиста | II SO3 | сульфіт |
Сульфідна | H2S | сірководнева | II S | сульфід |
Ортофосфатна | H3РO4 | фосфорна, ортофосфорна | III PO4 | фосфат |
Фторидна | HF | фтороводнева, плавикова | I F | фторид |
Хлоридна | HCl | хлороводнева,соляна | I Сl | хлорид |
Ціанідна | HCN | синильна | I CN | ціанід |
Класифікація кислот
За різними ознаками кислоти поділяють на різні групи. За вмістом атомів Оксигену кислоти поділяють на оксигеновмісні та безоксигенові.
До оксигеновмісних кислот належать сульфатна H2SO4, нітратна HNO3 та ін. Оксигеновмісні кислоти є гідратами кислотних оксидів, тобто продуктами приєднання молекули води до молекули оксиду неметалічного елемента.
До безоксигенових кислот належать розчини деяких газів у воді. Наприклад, хлоридна кислота — це розчин газуватого хлороводню НСl у воді, фторидна — розчин фтороводню HF, сульфідна — розчин сірководню H2S тощо.
За числом атомів Гідрогену, здатних заміщатися на атоми металічного елемента (за основністю кислоти), кислоти поділяють на одноосновні (HCl, HNO3), двохосновні (H2S, H2SO4), трьохосновні (Н3РО4) тощо.
Основність
кислоти не завжди збігається із числом атомів Гідрогену в її молекулі. Ці
випадки дуже поширені серед органічних кислот, таких як оцтова, лимонна,
виноградна тощо. Приміром, оцтова кислота СН3СООК є одноосновною. Її
молекули, хоча й містять по чотири атоми Гідрогену, але тільки один атом
здатний заміщатися атомом металічного елемента. Серед неорганічних кислот також
трапляються подібні випадки: фосфітна кислота Н
За силою кислот, тобто за здатністю дисоціюватися на іони, кислоти поділяють на сильні, кислоти середньої сили та слабкі. До сильних кислот відносять кислоти, які в розчині з концентрацією 0,1 моль/л дисоціюють більш ніж на 30 % (сульфатна, нітратна, хлоридна тощо). Слабкі кислоти в розчинах з такою ж концентрацією дисоціюють менше ніж на 3 % (карбонатна, сульфідна, оцтова тощо). Якщо ступінь дисоціації кислоти в розчині перебуває в інтервалі 3—30%, то її відносять до кислот середньої сили (фторидна, нітритна тощо).
Фізичні властивості кислот
Кислоти — це речовини молекулярної будови. Це обумовлює їхні фізичні властивості: кислоти є рідинами або легкоплавкими твердими речовинами. Так, найпоширеніші кислоти — сульфатна H2SО4та нітратна HNO 3 — за звичайних умов рідини. Фосфатна Н3РO4, боратна Н3ВO3, силікатна H2SiO3 — тверді речовини. Безоксигенові кислоти — фторидна НF, хлоридна НСl, бромідна НВr, йодидна НІ, сульфідна H2S та ціанідна HCN — водні розчини газів, які мають ту саму формулу, що й кислота.
Сульфітна H2SO3 та карбонатна Н2СО3 кислоти є водними розчинами сірчистого SO2 й вуглекислого СO2 газів. Більшість неорганічних кислот добре розчиняються у воді. З їхніми розчинами зазвичай і працюють у лабораторіях. Винятком є силікатна кислота H2SiO3 — вона у воді не розчиняється.
Використання кислот
Кислоти є одними з найважливіших речовин у промисловості, і не тільки в хімічній. Найбільшу увагу приділяють сульфатній, нітратній, хлоридній та фосфатній кислотам. Їх добувають на хімічних заводах у величезних кількостях, особливо сульфатну. Незрідка про рівень промислового розвитку якої-небудь країни судять по тому, скільки сульфатної кислоти вона виробляє. І це тому, що сульфатну кислоту (як і інші кислоти) використовують майже у всіх галузях народного господарства. Без цих кислот неможливо виготовляти метали, тканини, папір, мінеральні добрива тощо. Величезні об’єми сульфатної кислоти витрачають для переробки нафти у звичайне пальне, а також при виробництві кольорових металів, мийних засобів, ліків та барвників, вибухових матеріалів.
Дуже багато кислот використовують і в харчовій промисловості. І не тільки як смакові приправи для створення кислого смаку. У більшості випадків кислоти (оцтова, лимонна, бензойна, винна, щавлева) використовують як консерванти — речовин, які сповільнюють псування харчових продуктів.
Майже в кожному будинку є оцет (розчин оцтової кислоти), щавлева й лимонна кислоти для приготування їжі. У домашній аптечці завжди є аскорбінова кислота (вітамін С), ацетилсаліцилова кислота (аспірин) та боратна кислота (її розчин використовують для дезінфекції).
Безпека під час роботи з кислотами
Кислоти належать до їдких речовин. При потраплянні кислот на шкіру або слизові оболонки з’являються хімічні опіки, а при потраплянні концентрованої сульфатної кислоти — навіть обвуглювання шкіри. У разі потрапляння кислот на одяг з’являються дірки: відразу або після прання (залежно від кількості кислоти). Тому з кислотами, особливо з концентрованими, треба поводитися дуже обережно. Працювати з ними бажано в гумових рукавичках.
При розчиненні концентрованих кислот у воді виділяється велика кількість теплоти. Якщо наливати воду в склянку з концентрованою кислотою, то вода збирається на поверхні (густина концентрованих кислот більша) і під дією теплоти, що виділяється, може закипіти й почати розбризкуватися. Тому при розведенні концентрованих кислот слід обов’язково наливати тільки кислоту в склянку з водою, а не навпаки!
Кислоти, їх склад, назви. — Цікава хімія
Кислотами називаються сполуки, що містять катіони Гідрогену, які
здатні заміщуватись металом (або металоподібною групою атомів), і аніони
кислотного залишку. Група атомів, що залишається при відщепленні від
молекули кислоти йонів Гідрогену, називається кислотним залишком
Числом йонів Гідрогену, що утворюються кожною молекулою під час дисоціації, визначається заряд кислотного залишку (аніона).
Мал. 1. Види кислот, їх формули, назви та кислотний залишок.
До складу будь-якої кислоти входять катіони Гідрогену та аніони кислотного залишку.
Кількість
йонів Гідрогену, здатних заміщуватися на метал з утворенням солей,
визначає основність кислоти. За цим параметром розрізняють одноосновні (HCl, HNO3), двоосновні (h3SO4, h3CrO4), триосновні (h4PO4, h4BO3)і багатоосновні (h5P2O7, h5SiO4) кислоти.
А за складом виділяють безоксигенні та оксигеновмісні кислоти.
Систематичні
назви кислот утворюють з назви катіону, тобто «гідроген», та назви
аніона, з використанням принципів номенклатури координаційних сполук.
Наприклад :
HMnO4 — гідрогентетраоксоманганат (VII)
HAuCl4 — гідрогентетрахлороаурат (III)
h3SeO3 — дигідрогентриоксоселенат (IV)
HNO3 — гідрогентриоксонітрат, гідроген нітрат, гідроген нітрат (V)
h3SO4 — дигідрогентетраоксосульфат, дигідроген сульфат (VI)
Якщо оксигеновмісна кислота містить елемент у найвищому ступені окиснення, то ступінь окиснення елемента можна не вказувати:
h4PO4
— тригідрогенфосфат. Для поширених звичайних кислот можна задавати
назву за аніоном: h3SeO4 — селенатна кислота, HNO3— нітратна кислота,
h3CrO4 — хроматна кислота, h3SO4 — сульфатна кислота. Безоксигенні
кислоти називаються: HCl — гідроген хлорид, h3S— дигідрогенсульфід, HCN —
гідрогенціанід, HN3 — гідрогеназид.
Мал.2 . Азотна кислота.
Виділяють декілька методів добування кислот:
1) Взаємодія кислотних оксидів з водою:
SO2 + h3O = h3SO3
Спостерігати взаємодію кислоти з водою ви можете на наступному відео.
Відео 2.
2) Взаємодія активних неметалів з водою:
Cl2 + h3
Кислоти | ШКОЛА ХІМІЇ
Кислоти – це складні речовини, які у водних розчинах дисоціюють з утворенням катіонів Гідрогену H+. Кислоти поділяють за кількість атомів Гідрогену на одноосновні (HCl, HNO3) та багатоосновні (H2SO4, H3PO4). За вмістом Оксигену кислоти поділяють на оксигеновмісні (HNO3, H2SiO3) та безоксигенові (H2S, HBr).
Назви безоксигенових кислот утворюються додаванням до назви елемента закінчення -идна(-ідна) і слова кислота:
H2S – сульфідна кислота;
HBr – бромідна кислота;
HCl – хлоридна кислота.
Назви оксигеновмісних кислот утворюються від міжнародних назв аніонів з додаванням закінчення -на і слова кислота:
H2SO4 – сульфатна кислота;
HNO3 – нітратна кислота.
Добування.
1. Взаємодія ангідридів та галогенангідридів з водою (оксигеновмісні):
SO3 + H2O → H2SO4;
PCl5 + 4H2O → H3PO4 + 5HCl.
2. Взаємодія солей з сильнішими кислотами:
Na2SiO3 + 2HCl → H2SiO3↓ + 2NaCl;
FeS + 2HCl → FeCl2 + H2S↑.
3. Взаємодія неметалів з воднем (безоксигенові):
H2 + Cl2 → 2HCl.
Хімічні властивості.
Сильні кислоти (HClO4, h3SO4, HCl та ін.) в водних розчинах практично повністю дисоціюють на іони з утворенням іонів гідроксонію H3O+, слабкі – частково. Кислоти взаємодіють з основами, основиним та амфотерними оксидами з утворенням солі і води:
HCl + NaOH → NaCl + H2O;
H2SO4 + CuO → CuSO4 + H2O;
6HNO3 + Al2O3 → 2Al(NO3)3 + 3H2O.
Кислоти взаємодіють з солями з утворенням слабких електролітів:
AgNO3 + HCl → AgCl↓ + HNO3;
Na2CO3 + H2SO4 → Na2SO4 + CO2↑+ H2O;
Ch4COONa + HCl → CH3COOH + NaCl.
Рзчини кислот здатні окиснювати катіонами гідрогену метали, які в ряду електрохімічних потенціалів стоять до водню:
Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2↑.
Кислоти-окисники (HNO3, H2SO4 та ін.) можуть окиснювати метали без виділення водню:
Cu + 4HNO3(к.) → Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O.
Кислоти. Класифікація кислот. Хімічні властивості
Слова ” кислота” і ” кислий ” не дарма мають спільний корінь. Розчини всіх кислот на смак кислі. Це не означає, що розчин будь кислоти можна пробувати на мову – серед них зустрічаються дуже їдкі і навіть отруйні. Але такі кислоти як оцтова (міститься в столовому оцті), яблучна, лимонна, аскорбінова (вітамін С), щавлева і деякі інші (ці кислоти містяться в рослинах) знайомі вам саме своїм кислим смаком.
У цьому параграфі ми розглянемо тільки найважливіші неорганічні кислоти, тобто такі, які не синтезуються живими організмами, але грають велику роль в хімії та хімічній промисловості.
Усі кислоти, незалежно від їх походження, об’єднує загальна властивість – вони містять реакційноздатні атоми водню. У зв’язку з цим кислотам можна дати таке визначення:
Кислота – це складна речовина, в молекулі якого є один або кілька атомів водню і кислотний залишок.
Розглянемо найважливіші хімічні властивості кислот.
Дія кислот на індикатори. Дія розчинів кислот на індикатори. Практично всі кислоти (крім кремнієвої) добре розчиняються у воді. Розчини кислот у воді змінюють забарвлення спеціальних речовин – індикаторів. За забарвленням індикаторів визначають присутність кислоти. Індикатор лакмус забарвлюється розчинами кислот в червоний колір, індикатор метиловий оранжевий – теж у червоний колір.
Індикатори являють собою речовини складної будови. У розчинах підстав і в нейтральних розчинах вони мають інше забарвлення, ніж у розчинах кислот. Про індикатори ми більш детально розповімо в наступному параграфі на прикладі їх реакцій з основами.
2. Взаємодія кислот з основами. Ця реакція, як ви вже знаєте, називається реакцією нейтралізації. Кислота реагують з основою з утворенням солі, в якій завжди в незмінному вигляді виявляється кислотний залишок. Другим продуктом реакції нейтралізації обов’язково є вода. Для реакцій нейтралізації достатньо, щоб хоча б одне з реагуючих речовин було розчинно у воді. Оскільки практично всі кислоти розчинні у воді, вони вступають у реакції нейтралізації не тільки з розчинними, а й з нерозчинними основами. Винятком є кремнієва кислота, яка погано розчинна у воді і тому може реагувати тільки з розчинними підставами – такими як NaOH і KOH:
h3SiO3 + 2 NaOH = Na2SiO3 + 2h3O
Взаємодія кислот з металами. Як ми бачимо з попереднього прикладу, для взаємодії кислот з металом повинні виконуватися деякі умови (на відміну від реакцій кислот з підставами і основними оксидами, які йдуть практично завжди).
По-перше, метал повинен бути досить активним (реакционноспособним) по відношенню до кислот. Наприклад, золото, срібло, мідь, ртуть і деякі інші метали з виділенням водню з кислотами не реагують. Такі метали як натрій, кальцій, цинк – навпаки – реагують дуже активно з виділенням газоподібного водню та великої кількості тепла.
« Оксиди та їх класифікація Підстави. Властивості і класифікація підстав. Луги »Кислоти
У фруктах містяться різні органічні кислоти. Це лимонна, щавлева, яблучна кислоти та ін. Крім органічних кислот існує безліч неорганічних, або мінеральних. Молекули неорганічних кислот складаються з меншої кількості атомів і в них міститься не вуглець (у більшості неорганічних кислот), а інші хімічні елементи.
Важливими неорганічними кислотами є:
HCl – соляна (хлороводородная) кислота;
h3SO4 – сірчана кислота;
h3SO3 – сірчиста кислота;
h3S – сірководнева кислота;
HNO3 – азотна кислота;
h4PO4 – фосфорна кислота;
h3CO3 – вугільна кислота;
h3SiO3 – кремнієва кислота.
Якщо в хімічній формулі кислоти міститься кисень, то вона є кислородсодержащей, якщо ні, то безкисневому.
Безкисневі кислоти – це водні розчини газів з тією ж формулою. Так, газ хлороводород (HCl) при розчиненні у воді утворює хлорне кислоту (HCl). Теж саме стосується бромоводородной (HBr), іодоводородной (HI), сірководневою (h3S), синильної (HCN) кислот.
Сірчана (h3SO4) і азотна (HNO3) кислоти являють собою рідини, а фосфорна (h4PO4) – тверда речовина.
Сірчиста (h3SO3) і вугільна кислоти (h3CO3) – це водні розчини сірчистого (SO2) і вуглекислого (CO2) газів відповідно.
У будь-якому випадку в лабораторії працюють з розчинами кислот, за винятком кремнієвої кислоти (h3SiO3), яка нерозчинні в воді.
Індикатори лакмус і метилоранж в присутності кислоти змінюють колір на червоний.
Розчини різних кислот проявляють схожі властивості, які обумовлені присутністю в них атомів водню. Розрізняються кислоти своїм кислотним залишком, частиною хімічної формули без водню. Наприклад, у сірчаної кислоти кислотний залишок – SO4. У більшості реакцій кислотні залишки переходять з однієї речовини в іншу, при цьому не змінюються. Тому можна говорити про валентності кислотних залишків, яка дорівнює кількості атомів водню в молекули кислоти (так як водень одновалентен), які здатні заміщатися на метал. Так в азотній кислоті (HNO3) кислотний залишок (NO3) має валентність I, у вугільній кислоті (h3CO3) валентність кислотного залишку (CO3) дорівнює II, а у фосфорній кислоті (h4PO4) залишок PO4 має валентність III. За валентності кислотного залишку кислоти ділять на одноосновні, двоосновні, триосновні та ін.
Кислоти реагують з активними металами. При цьому утворюються солі. Крім того виділяється водень (за винятком азотної кислоти).
« Солі – хімія Застосування водню – коротко »Перелік предметів
Англійська мова |
Хімія
|
| Формула | Назва |
| h3SO4 | Сульфатна |
| h3SO3 | Сульфітна |
| HNO3 | Нітратна |
| HPO3 | Метафосфатна |
| h4PO4 | Ортофосфатна |
| h3CO3 | Карбонатна |
| h3SiO3 | Силікатна |
Безоксигенові кислоти
| Формула | Назва |
| HCl | Хлоридна (соляна) |
| HF | Фтороводнева (плавікова) |
| HBr | Бромоводнева |
| h3S | Сульфідна |
| HI | Іодоводнева |
Одержання кислот
1) Оксигеновмісні розчинні у воді кислоти можна добути взаємодією оксидів з водою:2) Оксигеновмисні нерозчинні у воді кислоти добувають взаємодією відповідної солі з більш сильною кислотою:
3) Безкисневі кислоти добувають взаємодією водню з неметалом:
з наступним розчиненням продукту реакції у воді.
Фізичні властивості кислот
Більшість кислот — рідини, але є і тверді кислоти, наприклад ортофосфатна і метафосфатна, силікатна. Усі кислоти важчі за воду й у більшості випадків добре в ній розчиняються. Деякі леткі кислоти (хлоридна, нітратна) мають характерний запах. Майже всі кислоти безбарвні.Хімічні властивості кислот
1) Дія на індикатори. Речовини, які змінюють своє забарвлення під дією кислот або лугів, називаються індикаторами.2) Взаємодія з металами.
Метали, що стоять у ряді напруг до Гідрогену, витісняють його з розведених кислот (крім нітратної кислоти):
3) Кислоти реагують з оксидами, що утворені металами:
Реакції обміну — це реакції між двома складними речовинами, у результаті яких вони обмінюються своїми складовими частинами.
4) Кислоти реагують з основами:
Значення кислот
Що таке кислота? Можна сказати, що це одна з найпоширеніших хімічних речовин. Ще це найважливіший продукт господарства і сировина для різних галузей хімічної промисловості — майже жоден технологічний процес не обходиться без участі в ньому кислот. А роль кислот в живому організмі? Вони постачають необхідні йому іони водню та інших елементів. Наша підшлункова залоза — мікрозавод з виробництва соляної кислоти, без якої порушується процес травлення. Кислоти входять до складу величезних молекул ДНК і РНК… Багато цікавого можна ще розповісти про них. Але все це — ще не відповідь на поставлене питання, яке, як виявилося, скрутне навіть для вчених, що постійно спілкуються з кислотами.
У чому ж проблема? Чому в наш час, коли вдалося розшифрувати структуру складних органічних молекул, коли вчені вже заглядають всередину елементарних частинок, збереглася така заповідна область в хімії? Можливо, тому, що немає чіткої основи для визначення основної властивості кислот — їх сили.
Це здається неймовірним. Адже перше, що кожен з нас на власному досвіді дізнається про кислоту, як раз і є уявлення про її здатність реагувати з іншими речовинами. За недбале поводження з сильною азотною кислотою ми розплачуємося опіками на шкірі або, в кращому випадку, дірками в одязі, а розчином слабкої борної кислоти промиваємо дітям очі. Відомо, що азотна, сірчана кислоти бурхливо взаємодіють з металами, борна ж майже не вступає в хімічні реакції з ними. Так вже давно — з кінця позаминулого століття — хіміки на практиці легко і просто дізнаються, наскільки сильна кислота — для цього вони дивляться, якою мірою вона дисоціює (дисоціація — це розщеплення молекули на окремі іони) у водному розчині.
Навіть не кажучи вже про житейський «метод» визначення сили кислоти, далеко не бездоганний з точки зору техніки безпеки, слід визнати, що інші, суто наукові методи теж мають свої недоліки. Важко систематизувати кислоти по їх відношенню до металів, тому що вони визначаються не тільки властивостями кислоти, але і властивостями самого металу. Точно так само і вода — не інертний розчинник: вона зовсім не байдужа до розчиненої в ній кислоти і в принципі може налагодити з нею хімічні взаємовідносини. Отже, поняття «ступінь дисоціації» теж не цілком однозначне. Однак воно все ж виручає хіміків, які працюють з водними розчинами.
Але спробуйте увійти в становище тих, хто працює з кислотами в неводних розчинах. Їм-то як бути? От якби вдалося зв’язати властивості кислоти зі структурою її молекули…
Давайте ненадовго відвернемося від майже детективного сюжету, що розгортається перед нами, і озирнемося. Ми помітимо, що на сцені природи п’єси «Хімія» та «Фізика» грають, по суті, одні й ті ж виконавці. Тільки в традиційних хімічних діях атоми і молекули прикриті такими пишними шатами з страхітливих назв різних сполук і так скуті хімічними канонами, що за всім цим так само важко розгледіти фізичну основу їх поведінки, як у театрі масок розглянути справжнє обличчя актора. І в нашому випадку з кислотами теж не вдавалося зв’язати властивості молекул кислоти з їх внутрішньою електронною структурою. Але якби це сталося, тоді відпала б необхідність в «гаданні» на воді силу кислот.
Електронна ковдра
Відносну силу кислоти (тут і скрізь мова йде про протонні кислоти, що містять водень) можна визначити по її здатності віддавати протон. Тобто по зв’язку атома водню в молекулі кислоти. Вхопимося за цю нитку Аріадни і подивимося, куди вона нас приведе.
Як тільки окремі атоми з’єднуються в молекулу, частина їх особистого майна — зовнішні валентні електрони — узагальнюються. Вони утворюють електронну ковдру, що вкриває всю молекулу. Якщо ковдру рівномірно прикривають атоми, вони залишаються нейтральними. Але так відбувається тільки в тому випадку, коли атомні партнери з однаковою силою притягують до себе електрони. Насправді один з них завжди виявляється сильніше і частіше стягує їх на себе, оголюючи свого сусіда.
Саме так недружньо і веде себе кисень по відношенню до водню в молекулі кислоти. Від надлишку натягнутих на себе електронів він перетворюється на негативно заряджений іон кисню, а у водню просвічує позитивний заряд протона. Тепер, крім звичайних взаємовідносин у вигляді «натягнутого» обміну валентними електронами, між атомами водню і кисню виникає ще й іонний зв’язок — просто кажучи, тяжіння зарядів різного знака.
Активна поведінка атома кисню призводить до важливих наслідків: змінюється здатність кислоти віддавати при дисоціації у водному розчині свій протон. Чим сильніше відтягує на себе електрони атом кисню, тим легше протону в розчині вийти з-під його хімічної опіки! І ось чому. Поблизу молекули води існують сильні електричні поля. Вони не страшні атомам, добре прихованим електронним ковдрою Проте в кислотах рівноправності немає. Загальні електрони більшу частину часу проводять біля кисню. А позитивно заряджений протон і негативно заряджений іон кисню беззахисні перед дією електричних полів води. Кулонівські сили розщеплюють молекулу. Чим частіше перемагає кисень у боротьбі за володіння електронами, тим більше його електричний заряд, або, як кажуть хіміки, тим більше ступінь іоності зв’язку Н — О. А отже, і ступінь дисоціації кислоти.
Ось ниточка і привела нас до мети. Виявляється, силу кислоти можна пов’язати зі структурою її молекули, а точніше — з ймовірністю знаходження валентних електронів близько кисню. Такі міркування — не новина для хіміків, але в їх руках не було відповідного інструменту для вимірювання щільності електронної ковдри в різних місцях молекули. Справа не рухалася з місця до тих пір, поки на допомогу не прийшли фізики.
Плідний альянс
Група співробітників Лабораторії ядерних проблем вперше виявила рідкісну реакцію захоплення негативних пі-мезонів протонами — ядрами атомів водню. В результаті протон перетворюється в нейтрон і нейтральний мезон, який дуже швидко розпадається на два гамма-кванта. Елементарна логіка підказує: якщо можна точно встановити факт захоплення мезонів саме воднем, то, значить, пара гамма-квантів видасть присутність навіть одного водневого атома в складному хімічному з’єднанні. Добре, — скажете ви, — але яке відношення має все це до кислот і взагалі до хімії? Саме пряме.
Саме пряме, хоча спочатку ніхто з авторів цього відкриття і не думав, що мезони можуть якось допомогти розібратися саме у властивості кислот. Фізики були тільки здивовані тим, що хімічно зв’язані атоми водню зовсім втрачають властивий вільному водню «апетит» до мезонів і захоплюють їх приблизно в тисячу разів рідше. Однак, зацікавившись цим явищем провели цілу серію вимірювань, опромінюючи мезонами різні речовини, що містять водень. І ось що виявилося: «апетит» протонів залежить від характеру взаємовідносин атома водню з іншими атомами молекули. Сумнівів не залишалося: ядерна реакція чутливо реагувала на зміну електронної структури молекул. Розроблена модель великих мезомолекул допомогла розібратися в цьому цікавому фізичному явищі.
Разом із втратою «особистого» електрона, протон позбавляється власної посадочної площадки для мезона. От якщо він випадково застрягне в загальній електронній ковдрі, тобто утворюється велика мезомолекула, тоді у протона з’являється маленький шанс на захоплення мезона. Відбудеться воно чи ні — тепер цілком залежить від поведінки атома кисню.
В молекулі кислоти загальними валентними електронами в основному володіє кисень, а ймовірність захоплення мезона воднем тим менше, чим менше щільність електронів поблизу нього. Значить, варто лише підрахувати, скільки гамма-квантів вилітає з мішені, опромінюваної мезонами, і ми дізнаємося, наскільки сильно електрони відтягнуті від протона, тобто визначимо ступінь іоності зв’язку Н — О!
До використання цього фізичного явища в хімічних дослідженнях прийшли з двох сторін. Фізикам цікаво було використовувати виявлене ними явище, хімікам хотілося отримати в руки новий метод дослідження.
Альянс виявився плідним, і ось перший успіх. Для вимірювання ймовірності захоплення мезонів протонами в декількох кислотах знайшли розподіл щільності загальних електронів в молекулах. А потім ці кислоти розташували в ряд за ступенем іонності зв’язку Н — О. Виявилося, що точно в такому ж порядку розташовуються кислоти і по ступеню їх дисоціації.
Липкі молекули
Загальну картину благополуччя дещо псувала лише органічна щавлева кислота: дисоціації у водному розчині її відносять до кислот середньої сили, а в дослідах з мезонами вона проявила себе як сильна. У чому ж справа? Невже метод мезонного силоміра просто непридатний тут? Навпаки. Виявилася ще одна можливість. З її допомогою, може бути, вдасться глибше проникнути в природу дуже цікавого хімічного явища — водневих зв’язків.
З усього розмаїття існуючих у природі елементів тільки деякі, у тому числі кисень і азот, особливо небайдужі до водню. Навіть вичерпавши всі свої валентні можливості, вони все-таки утворюють з воднем сусідньої молекули додаткові, дуже слабкі і багато в чому ще загадкові водневі зв’язки.
За правилами «чистої» хімії воді належить кипіти при температурі -80°С. Про гарячий чай ми могли б тільки мріяти, якщо б не було водневих зв’язків. Але справа в тому, що вода в склянці, у ванні, в океані — це не просто скупчення окремих молекул, а нескінченний, складний, упорядкований хоровод з склеєних між собою водневими зв’язками частинок води. Кожен атом водню «тримається» не тільки за «свій» кисень, але і за кисень сусідньої молекули.
Всім відомий аміак кипить при температурі — 30°С, а не буде водневих зв’язків, температура опустилася б до -150°С! І тоді цю найважливішу хімічну сировину була б настільки ж складно отримувати, як і рідкий азот.
Водневі зв’язки на порядок слабше звичайних хімічних, але, тим не менш, їх вплив на наше життя величезний. Більш того, саме життя без них було б неможливе. Водневі зв’язки визначають і структуру носія генетичної інформації — подвійної спіралі молекули ДНК, та біологічну активність білків, що здійснюють обмін речовин в організмі.
Історія з щавлевою кислотою як раз і допомогла виявити чутливість мезонного методу до цих слабким сціплень, що виникають між атомами. Мабуть, дволикість щавлевої кислоти теж можна пояснити впливом водневих зв’язків. Вони склеюють попарно молекули кислоти, що атоми водню виявляються затиснутими між двома кисневими — своїм і тим, що належить іншій молекулі. Як показують спеціальні досліди у твердій щавлевій кислоті, протон дійсно пов’язаний «по руках і ногах».
Якщо протону, об’єднаному з киснем загальним електронним покривалом, і так дуже рідко вдається поніжитися під ним, то положення протона щавлевої кислоти ще гірше: адже кисень другої молекули теж володіє надлишком електронів і заряджений негативно. Тому він, трішки притягаючи до себе «чужий» протон, в той же час відштовхує його електрони, оголюючи його ще більше. А мезоний силомір фіксує цю додану силу впливу на електрони з боку сусіднього кисню, і кислота здається сильніше, ніж вона є насправді.
Робота з кислотами — це тільки початок, демонстрація можливостей нового методу. Мезони здобувають другу спеціальність Їх здатність швидко розбиратися в тому, в яких умовах знаходяться атоми водню в молекулах складних речовин, відкриває перед цими частками багато хімічних таємниць.
Цінність нового методу — в його можливості виділити зв’язок водню з іншими атомами, незалежно від складності хімічної сполуки. З допомогою мезонів можна промацати реальний розподіл густини валентних електронів в різних молекулах, що містять водень.
Зараз важко сказати, яке застосування мезонного методу виявиться найбільш цікавим.
Автор: В. Черногорова.