Кислое и горькое: кислоты и основания
В этой главе…
C кислотами и основаниями мы сталкиваемся ежедневно, например в любой кухне или \^ ванной комнате. Откройте холодильник, и вы обнаружите в нем безалкогольные напитки, газированные угольной кислотой. На полке в кладовой находятся уксус и пищевая сода — кислота и основание. Загляните под раковину, и вы найдете нашатырный спирт1, а также другие чистящие средства, большинство из которых являются основаниями. Проверьте банку, содержимым которой (как правило, это щелок) прочищают трубы сантехники. Это содержимое является сильной щелочью. В своей аптечке вы найдете аспирин — кислоту, а также нейтрализаторы кислот всех видов. Окружающий нас мир, подобно химической лаборатории, полон кислот и оснований. В этой главе речь идет о кислотах и основаниях, индикаторах и водородном показателе pH — одним словом, об основательной химии.
Свойства кислот и оснований: взгляд из макромира
Рассмотрим основные свойства кислот и оснований. Кислоты:
S на вкус кислые (впрочем, не забывайте, что в лаборатории, где проводят опыты, пробовать на вкус ничего нельзя);
S при попадании на кожу вызывают ожоги;
S вступают в реакцию с некоторыми металлами (магнием, цинком и железом), образуя газообразный водород;
S вступают в реакцию с известняком и пищевой содой, образуя диоксид углерода;
S способны изменять цвета индикаторов, в частности окрашивают лакмус в красный цвет.
Основания:
S на вкус горькие (еще раз напомним: в лаборатории, где проводятся опыты, пробовать на вкус ничего нельзя);
S при попадании на кожу вызывают ощущение «намыленности»;
S вступают в реакцию с маслами и жирами;
S изменяют цвета индикаторов иначе, чем кислоты, например приводят к синей окраске лакмуса;
S вступают в реакцию с кислотами, образуя соль и воду.
В повседневной жизни кислоты и основания встречаются довольно часто. Наиболее распространенные из них, которые можно встретить в доме, перечислены в табл. 12.1 и 12.2.
Таблица 12.1. Распространенные кислоты
Химическое название
Формула
Обычное название или применение
Хлороводород
HCl
Соляная кислота
Уксусная кислота
CH3COOH
Уксус
Серная кислота
H2SO4
Кислота для автомобильных аккумуляторов
Угольная кислота
H2CO3
Газированная вода
Борная кислота
H3BO3
Антисептик; глазные капли
Ацетилсалициловая кислота
C16H12O6
Аспирин
Таблица 12.2. Распространенные основания
Химическое название
Формула
Обычное название или применение
Нашатырный спирт
NH3
Чистящее средство
Гидроксид натрия
NaOH
Щелок
Бикарбонат натрия
NaHCO3
Пищевая сода
Гидроксид магния
Mg(OH)2
Магниевое молоко
Карбонат кальция
CaCO3
Нейтрализатор кислот
Гидроксид алюминия
Al(OH)3
Нейтрализатор кислот
Кислоты и основания: взгляд из микромира
Внимательно изучив табл. 12.1 и 12.2, можно заметить, что в состав всех кислот входит ион водорода (H+), а в состав большинства оснований — гидроксид-ион (OH-). Существует две основные теории, объясняющие свойства растворов кислот и оснований:
S теория Аррениуса;
I S теория Бренстеда – Лоури.
Теория Аррениуса: должна быть вода
Первая из современных кислотно-основных теорий была разработана Сванте Аррениусом. Согласно этой теории, кислоты — это электролиты, диссоциирующие в растворах с образованием ионов водорода (H+), а основания — это электролиты, диссоциирующие в растворах с отщеплением гидроксид-ионов (OH-). Газообразную соляную кислоту можно считать типичной кислотой Аррениуса, так как, растворяясь в воде, этот газ ионизируется, т.е. образует ионы, одним из которых является H+. (Важные подробности, относящиеся к ионам, приведены в главе 6, «Противоположности притягиваются: ионные связи».)
HClfc-р) — H+ + Cl-
Согласно теории Аррениуса, гидроксид натрия относится к основаниям, так как при растворении он образует гидроксид-ион.
ЫаОЩр-р) — Na+ + OH-
Кроме того, реакцию между кислотой и основанием Аррениус назвал реакцией нейтрализации, так как при смешивании водных растворов кислоты и основания получается нейтральный раствор, состоящий из воды и соли.
Ж1(р-р) + NaOHfc-р) — H2OW + NaClfc-р)
Запишем это уравнение в ионно-молекулярном виде.
H + Cl- + Na+ + OH — Н2О(ж) + Na+ + Cl-
Как видите, в результате взаимодействия иона водорода и гидроксид-иона образуется молекула воды. В действительности все кислотно-основные реакции Аррениуса сводятся к одному и тому же процессу — образованию молекул воды из ионов водорода и гидроксид-ионов (химические компоненты, которые не претерпели изменений в ходе реакции, исключаются из конечного уравнения).
H+ + OH- — H2OW
Теория Аррениуса до сих пор широко используется. Впрочем, как и все теории, она несколько ограниченна. В качестве примера рассмотрим реакцию, происходящую между двумя газами — аммиаком и хлористым водородом.
NH3(r) + HCl(r) — NH4+ + Cl- — N^ClW
Смешиваются два бесцветных газа и образуется белое твердое вещество — хлорид аммония. В уравнении специально показано промежуточное образование ионов, что делает происходящее более наглядным. Соляная кислота передает ион H+ аммиаку. Механизм этой реакции аналогичен механизму протекания реакции между HCl и NaOH, но реакция с участием аммиака не может относиться к кислотно-основным, поскольку она протекает в газовой фазе, а не в водном растворе и в ней не участвует гидроксид-ион. Однако один и тот же основной процесс происходит в обеих реакциях. В 1923 году была предложена протонная теория кислот и оснований — теория Бренстеда – Лоури.
Теория Бренстеда – Лоури: давать и получать
Теория Бренстеда – Лоури пытается преодолеть ограничения теории Аррениуса. Согласно этой теории, кислота — это молекула или ион, поставляющие протоны (H+) для образования химической связи (донор), а основание — это ион или молекула, принимающая протон (акцептор). Основание получает H+, предоставляя одну пару электронов для образования донорно-акцепторной связи. Такая ковалентная связь возникает за счет пары электронов, первоначально принадлежавшей одному атому (донору электронной пары) и свободной ор-битали другого атома (акцептора электронной пары). Для образования ковалентной связи
обычно каждый из двух атомов предоставляет по одному электрону (см. главу 7, » Ковалентные связи: поделимся по-братски»), но при донорно-акцепторном способе образования ковалентной связи оба электрона предоставляются одним и тем же атомом.
На рис. 12.1 показано уравнение реакции между NH3 и HCl, в котором используются электронно-точечные формулы реагентов и продуктов. (Об электронно-точечных формулах речь идет в главе 7, «Ковалентные связи: поделимся по-братски».)
» н »
+
h:n:h + Гн):С1:—*-
• • — • •
н:К:н
:С1:
н
_ н _
Рис. 12.1. Реакция между NH3 и HC1
Кислота HCl — это донор протона, а основание и аммиак являются его акцепторами. Аммиак имеет одну пару несвязанных электронов, которые может предоставить для донорно-акцепторной связи.
Более подробно о кислотно-основных реакциях в контексте теории Бренстеда – Лоури речь идет в разделе » Дайте мне тот протон: кислотно-основные реакции Бренстеда – Лоури» далее в главе.