Кислоты: понятие, свойства, классификация¶

Кислота — это вещество (как правило, электролит), молекулы или кристаллическая решётка которого при растворении в воде или расплаве диссоциируют с образованием катионов водорода H⁺ (протонов) и анионов кислотного остатка. Согласно теории Бренстеда — Лоури, кислота — протонный донор; согласно теории Льюиса — акцептор электронной пары. Кислоты входят в число важнейших классов неорганических соединений и широко распространены в природе, промышленности и живых организмах.

¶Основные определения

В классической химической традиции кислотой называют водный раствор вещества, при диссоциации дающего только катионы водорода в качестве катионов. Так, соляная кислота HCl в разбавленном растворе практически полностью диссоциирует:

HCl → H⁺ + Cl⁻

Современные определения шире. Теория Бренстеда — Лоури (1923) относит к кислотам любые частицы, способные отдавать протон, независимо от того, содержат ли они водород. Теория Льюиса (1923) определяет кислоту как частицу, принимающую электронную пару для образования донорно-акцепторной связи. Эти подходы дополняют друг друга и охватывают реакции, не связанные с переносом протона, например взаимодействие BF₃ с аммиаком.

¶Классификация

Кислоты классифицируют по нескольким признакам.

По составу кислотного остатка:

• Бескислородные (водородные) — например, соляная HCl, плавиковая HF, сероводородная H₂S.
• Кислородсодержащие (оксокислоты) — серная H₂SO₄, азотная HNO₃, фосфорная H₃PO₄, хромовая H₂CrO₄.

По числу протонов, отдаваемых молекулой:

• Однобазовые (моноосновные) — HCl, HNO₃.
• Двухосновные — H₂SO₄, H₂CO₃.
• Многобазовые — H₃PO₄, H₄SiO₄.

По силе диссоциации в воде:

• Сильные — практически полностью диссоциируют (HCl, HBr, HI, HNO₃, H₂SO₄, HClO₄).
• Слабые — диссоциируют частично (CH₃COOH, H₂CO₃, H₃BO₃, H₂S).
• Сверхсильные — в чистом виде инициируют ионизацию даже инертных соединений (фторсерная кислота HSO₃F, перхлорная HClO₄ в концентрированной форме).

¶Физические и химические свойства

Разбавленные водные растворы кислот обладают характерными свойствами: меняют цвет индикаторов (лакмус из синего в красный, метиловый оранжевый в красный), взаимодействуют с активными металлами, вытесняя водород, и с оксидами металлов (основными и амфотерными), образуя соль и воду. Реакция нейтрализации кислоты щёлочью даёт соль и воду:

HCl + NaOH → NaCl + H₂O

Кислоты реагируют с карбонатами с выделением углекислого газа — на этом основано классическое качественное обнаружение карбонатов. Концентрированные серная и азотная кислоты обладают сильными окислительными свойствами; концентрированная серная кислота — дегидратирующее среда, отнимающее воду от органических веществ.

Показатель кислотности pH разбавленного раствора определяется концентрацией H⁺: чем больше диссоциация, тем ниже pH. Для сильных кислот pH ≈ −lg c, для слабых необходимо учитывать константу диссоциации Kₐ.

¶Кислоты в природе

Кислоты широко распространены в живых организмах. Лимонная кислота участвует в цикле Кребса, молочная накапливается в мышцах при анаэробной нагрузке, аминокислоты содержат карбоксильные группы. Ядовитая муравьиная кислота содержится в секрете муравьёв и ос, уксусная — в продуктах брожения. В желудочном соке человека присутствует соляная кислота (0,2–0,4 %), обеспечивающая работу пепсина.

В атмосфере и осадках кислоты образуются при растворении оксидов серы и азота (продуктов сжигания топлива), вызывая кислотные дожди с pH ниже 5,6.

¶Промышленное значение

Кислоты относятся к «базовым химикатам» промышленности. Сульфатная кислота — один из наиболее массово производимых продуктов мировой химии (свыше 250 млн тонн в год), используется для производства минеральных удобрений, очистки металлов, в аккумуляторах. Соляная кислота применяется в металлообработке, нефтедобыче, пищевой промышленности (Е338). Азотная кислота — сырьё для производства аммиака и взрывчатых веществ. Фосфорная кислота служит основой фосфатных удобрений.

В России крупнейшими производителями серной кислоты исторически являются предприятия, перерабатывающие серу и пирит, а также агрохимические комплексы, связанные с производством аммофоса.

¶Меры безопасности

Концентрированные кислоты — агрессивные вещества: вызывают химические ожоги, разрушают ткани и многие материалы. При работе с ними применяют средства индивидуальной защиты (перчатки, очки, фартуки), работают в вытяжном шкафу. Разбавление кислоты всегда производят кислотой в воду, а не наоборот, во избежание бурного разбрызгивания.

История Понятие «кислота» восходит к античным представлениям о кислом вкусе. Термин «кислота» ввёл в употребление Михаил Ломоносов в русском языке; в европейской химии термин acidum закрепился со времён Роберта Бойля. Кислородную теорию кислот предложил Антуан Лавуазье (кислота = элемент + кислород), но она была опровергнута Гемфри Дэви, показавшим, что соляная кислота не содержит кислорода. Современные теории Бренстеда — Лоури и Льюиса были сформулированы почти одновременно в 1923 году.

Источники:

• Хомченко Г. П. Химия для поступающих в вузы.
• Рабинович В. А., Ховлова Т. А. Краткий справочник химика.
• Лурье Ю. Ю. Справочник по аналитической химии.
• Глинка Н. Л. Общая химия.