Одни кислоты разъедают, другие являются напитками: сильные и слабые кислоты и основания
Все кислоты и основания подразделяются на две группы — сильные и слабые. Однако не следует путать силу кислот и оснований с их концентрацией. Например, у вас может быть концентрированный раствор слабой кислоты, разбавленный раствор сильной кислоты, или концентрированный раствор сильной кислоты, или… думаю, вы поняли, о чем речь.
Сильные кислоты
При растворении в воде газообразный хлороводород будет вступать в реакцию с молекулами воды и отдавать каждой из этих молекул по одному протону. Схематически этот процесс можно выразить приведенным ниже уравнением.
Ж1(г) + H2OM — Cl- + H3O+
Одни кислоты разъедают, другие являются напитками: сильные и слабые кислоты и основания
При этом ион водорода H+ оказывается прочно связанным с молекулой воды в ион гидро-ксония H3O+. Эта реакция идет до тех пор, пока реагенты полностью не закончатся. В этом случае все молекулы HCl в водном растворе диссоциируют на ионы (т.е. переходят в раствор в виде ионов) и ни одной из них не остается. Такие кислоты, как HCl, которые в водных растворах диссоциированы практически нацело, называются сильнъми. Обратите внимание, что вода в этом случае ведет себя как основание, получая протон от хлороводорода.
Поскольку сильные кислоты диссоциируют полностью, подсчитать концентрацию в растворе ионов гидроксония и хлорид-ионов не составит труда, если знать начальную концен-
трацию сильной кислоты. Предположим, что в одном литре воды растворяется 0,1 моль газообразной HCl. (Чтобы уверенно разбираться в молях, обратитесь к главе 10, «Моль: как его понять?».) Можно сказать, что начальная концентрация HCl составляет 0,1 М (0,1 моль/л); М означает молярность, а моль/л — количество молей растворенного вещества на литр. (Подробно о молярности и других единицах выражения концентрации можно узнать в главе 11, «Размешивание вещества: растворы».)
Концентрацию, равную 0,1 М, для HCl можно представить таким образом: [HCl] = 0,1. Здесь квадратные скобки, в которые заключена формула соединения, обозначают молярную концентрацию, или моль/л. Поскольку HCl полностью диссоциирует, значит, каждая молекула HCl образует два иона: гидроксония и хлорид-ион. Таким образом, в 0,1 М растворе HCl следующая концентрация ионов:
[H3O+] = 0,1 и [Cl-] = 0,1.
Эти расчеты пригодятся при подсчете pH раствора. (Более подробно об этом речь идет в разделе » Кислый ли кофе? Водородный показатель pH» далее в главе.)
В табл. 12.3 перечислены самые распространенные сильные кислоты, которые, вполне вероятно, вы уже неоднократно встречали.
Таблица 12.3. Наиболее распространенные сильные кислоты
Название Формула
Хлороводрод (соляная кислота) HCl
Бромоводород HBr
Иодоводород HI
Азотная кислота HNO3
Хлорная кислота HClO4
Серная кислота (только для первой ступени диссоциации) H2SO4
Серную кислоту называют дипротоновой. Ее молекула может давать два протона. Другие кислоты, перечисленные в табл. 12.3, являются монопротоновыми, так как их атомы дают только по одному протону.
Сильные основания
Представляют собой электролиты, которые полностью диссоциируют в водных растворах с образованием гидроксид-иона OH-. Вычислять концентрацию гидроксид-иона довольно просто. Предположим, что имеется 1,5 М (1,5 моль/л) раствор NaOH. Гидроксид натрия, основание, полностью диссоциирует (распадается) на ионы.
NaOH — Na+ + OH-
Следовательно, если вы имеете раствор NaOH с концентрацией 1,5 моль/л, то получите точно такую же концентрацию ионов:
[Na+] = 1,5 и [OH-] = 1,5.
Слабые кислоты
Предположим, вы растворяете в воде уксусную кислоту CH3COOH. Она вступает в реакцию с молекулами воды, отдавая от каждой своей молекулы по протону. При этом образуются ионы гидроксония. Кроме того, устанавливается равновесие, в котором находится значительная часть диссоцированной уксусной кислоты. (В реакциях, протекающих до конца, все
реагенты превращаются в продукты. В системах, находящихся в равновесии, одновременно и с одной и той же скоростью протекают две противоположные реакции — прямая и обратная. О системах, находящихся в равновесии, речь идет в главе 8, «Химическая «кухня».)
Если вы хотите знать, является ли ваш собеседник химиком (и насколько он знает английский. — Примеч.), то попросите его произнести слово unionized. Химик будет произносить un ionized, что означает «неионизированный». А любой другой человек (даже зная английский. — Примеч. ред.) произнесет это слово как unionized, т.е. «входящий в объединение».
Реакцию взаимодействия уксусной кислоты с водой можно представить приведенным ниже уравнением.
CH3COOHfc) + H2OW <-> CH3COO- + H3O+
Уксусная кислота, которую наливают в воду, диссоциирует только на 5%, а 95% остается в молекулярном виде, т.е. она является лишь частично диссоциированной. В растворах кислот, которые диссоциируют частично, концентрация ионов гидроксония во много раз меньше, чем в растворе сильной кислоты. Кислоты, диссоциирующие частично, называются слабъми.
Вычислить концентрацию ионов гидроксония в растворах слабых кислот не так просто, как в растворах сильных кислот, поскольку слабая кислота диссоциирует не полностью. Чтобы вычислить концентрацию ионов гидроксония, необходимо использовать выражение для константы равновесия слабой кислоты. В главе 8, «Химическая «кухня», упоминается константа равновесия химической реакции — Keq. Константа равновесия, отвечающая диссоциации слабого электролита, называется константой диссоциации и обозначается Ka.2 Например, рассмотрим диссоциацию некоторой слабой кислоты, выраженной в общем виде как HA.
HA + H2O <-> A- + H3O+
Константа равновесия для нее приведена ниже.
K = [ H3O IA ]
[HA]
Обратите внимание, что [HA] указывает молярную концентрацию HA не в начальный момент, а при установившемся равновесии. Кроме того, в формуле для константы диссоциации не указана концентрация воды, поскольку ее концентрация сама по себе фактически является константой, входящей в состав выражения Ka.
Теперь вернемся к равновесию уксусной кислоты. Константа диссоциации для этой кислоты равна 1,8х10-5. Следовательно, формулу для константы диссоциации уксусной кислоты можно записать так, как показано ниже.
5 \H3O YCH3COO ]
K = 1,8х10-5 = L 3Г JL-3 п J
a [CH3COOH ]
С помощью этого выражения можно вычислить концентрацию ионов гидроксония, например, в 2,0 М растворе уксусной кислоты. Как вам известно, первоначальная концентрация уксусной кислоты составляет 2,0 М. Еще вы знаете, что продиссоциировала лишь незначительная часть этой кислоты, образуя небольшое количество ионов гидроксония и ацетата. Кроме того, из сбалансированного уравнения реакции видно, что на каждый ион гидроксония образуется один ион ацетата, следовательно, их концентрация одинакова. Концентрацию [H3O+] и [CH3COO-] можно обозначить как x, тогда
2 В русскоязычной литературе константа равновесия химической реакции и константа диссоциации обозначаются одинаково (К). — Пргимеч. ред.
[H3O+] = [CH3COO-] = x.
Чтобы получить по x ионов гидроксония и ацетата, требуется такое же количество про-диссоциированных молекул уксусной кислоты. Поэтому концентрацию уксусной кислоты в состоянии химического равновесия можно выразить как разность между первоначальной концентрацией уксусной кислоты и концентрацией продиссоциированных молекул, x:
[CH3COOH] = 2,0 – x.
Для подавляющего большинства случаев можно сказать, что концентрация x является очень малой по сравнению с первоначальной концентрацией слабой кислоты. Другими словами, можно сказать, что 2,0 – x приблизительно равно 2,0. Поэтому концентрацию слабой кислоты в положении равновесия часто можно считать примерно равной ее первоначальной концентрации. Выражение для константы равновесия теперь выглядит следующим образом:
,-5 [X\X] [X]2
K, = 1,8 х10
[2,0] [2,0]‘ Далее можно найти значение x для [H3O+].
(1,8 х10-5 )[2,0 ] = [X ]2
•v/3,6 х10-5 =[X ] = H3O 6,0 х 10-3 = [ H3O ]
В табл. 12.3 приведены некоторые распространенные сильные кислоты. Большинство других кислот, которые вам встретятся, можете считать слабыми.
Если вы захотите узнать, является кислота сильной или слабой, загляните в таблицу, в которой приведены константы диссоциации. Только слабые кислоты имеют константу диссоциации (Ka).
Слабые основания
Слабые основания также вступают в реакцию с водой и образуют систему, находящуюся в равновесии. Типичным слабым основанием является аммиак. Его молекула взаимодействует с водой, чтобы образовать ион аммония и гидроксильную группу.
NH3(г) + H2O(ж) <-> NH4+ + OH-
Слабое основание, как и слабая кислота, диссоциирует только частично. Характеристикой слабых оснований также служит константа диссоциации, которая выражается как Kb. Формула для данной константы выглядит так же, как и для слабых кислот Ka (см. раздел «Слабые кислоты»), за исключением того, что решение необходимо получать для [OH-].
Дайте мне тот протон: кислотно-основные реакции Бренстеда-Лоури
Согласно теории Аррениуса, реакции взаимодействия кислот с основаниями являются реакциями нейтрализации. А согласно теории Бренстеда-Лоури, кислотно-основные реакции — это соревнования за протон. Рассмотрим, например, реакцию взаимодействия аммиака с водой.
NH^) + H2OW <-> NH4+ + OH-
В прямой реакции (по направлению слева направо) аммиак — это основание (т.е. акцептор протона), а вода — кислота (т.е. донор протона). Однако в обратной реакции (по направлению справа налево) кислотой является ион аммония, а основанием — гидроксид-ион. Если
вода — более сильная кислота, чем ион аммония, то при равновесии в системе будет находиться относительно большое количество ионов аммония и гидроксильных групп. Впрочем, если более сильной кислотой будет выступать ион аммония, то при равновесии концентрация аммиака будет намного больше, чем концентрация ионов аммония.
Бренстед и Лоури утверждали, что кислота вступает в реакцию с основанием, чтобы образовать сопряженную кислотно-основную пару. Такие сопряженные пары отличаются одним ионом H+. Например, для основания NH3 сопряженной кислотой является NH4+. В реакции между аммиаком и водой кислотой является H2O, а сопряженным для него основанием — OH-. В этой реакции сильным основанием является гидроксид-ион, а слабым — аммиак, поэтому равновесие смещено влево, т.е. в состоянии равновесия гидроксид-ионов содержится не слишком много.
Амфотерная вода
При взаимодействии уксусной кислоты с водой последняя выступает в роли основания, или акцептора протона. Однако в реакции с аммиаком (описанной в предыдущем разделе) вода выступает в роли кислоты, или донора протона. В зависимости от вещества, с которым вода взаимодействует, она может выступать в роли как кислоты, так и основания. Вещества, которые в зависимости от условий способны проявлять и основные и кислотные свойства, называются амфотернъми. При взаимодействии с кислотой вода ведет себя как основание, а при взаимодействии с основанием — как кислота.
Но может ли вода вступать в реакцию сама с собой? Да, может. Две молекулы воды могут вступать в реакцию друг с другом, при этом одна молекула отдает протон, а другая его получает.
H2Ofc) + H2OW <-> H3O+ + OH-
Это реакция равновесия для воды. Характеристикой данной реакции служит измененная константа равновесия, которая называется константой диссоциации воды и обозначается как Kw. Константа диссоциации воды равна 1,0х10-14 и выражается приведенным ниже уравнением.
1,0х10-14 = Kw = [H3O+] [OH-]
Из сбалансированного уравнения для чистой воды следует, что [H3O+] равняется [OH-], поэтому [H3O+] = [OH-] = 1,0х10-7. Значение Kw является константой. Оно позволяет из [H+] находить [OH-] для любого водного раствора, а не только для чистой воды. В таких растворах концентрации гидроксид-ионов и ионов гидроксония редко бывают равными, но, зная одну из этих концентраций, можно с помощью Kw вычислить другую.
Обратимся к задаче о 2,0 М растворе уксусной кислоты. Эта задача уже рассматривалась в разделе «Слабые кислоты» ранее в главе. Тогда вы узнали, что [H3O+] равняется 6,0х10-3. Теперь, используя выражение для Kw, можно для нашего раствора найти значение [OH-].
Kw = 1,0х10-14 = [H3O+] [OH-]
1,0х10-14 = [6,0х10-3] [OH-]
1,0х10-14/6,0х10-3 = [OH-]
1,7х10-12 = [OH-]
Слабительное и красная капуста: индикаторы кислот и основании
Индикаторы — это вещества (точнее, органические красители), цвет которых меняется в присутствии кислоты или основания. Скорее всего, вам знакома гортензия. Это растение выступает в роли кислотно-основного индикатора. Если почва, в которой растет гортензия, кислая, то ее цветы окрашены в розовый цвет, а если почва щелочная, то цветы синие. Еще одно довольно распространенное растение, которое служит кислотно-основным индикатором — это красная капуста. Я предлагаю своим студентам мелко ее нашинковать и в течение нескольких минут прокипятить. Получившийся отвар можно использовать для анализа различных веществ. В присутствии кислоты этот отвар становится розовым, а в присутствии основания — зеленым. Если же взять некоторое количество капустного отвара, добавить в него немного основания, а затем подуть через соломинку в полученный раствор, то он со временем окрасится в синий цвет, тем самым указывая, что в растворе появилась кислота. Все дело в том, что диоксид углерода, который содержится в выдыхаемом воздухе, вступает в реакцию с водой, образуя угольную кислоту.
CO2(F) + H2O« <-» H2COз(р-р)
Именно из-за этой реакции все газированные напитки имеют кисловатый вкус. Для того чтобы получить газированный напиток, в нем растворяют диоксид углерода. Небольшое количество диоксида углерода вступает в реакцию с водой, образуя угольную кислоту. Кроме того, эта реакция объясняет, почему дождевая вода также немного кислая. За время, в течение которого капля совершает свой путь от тучи до земли, она впитывает из воздуха диоксид углерода.
В химии индикаторы помогают обнаруживать кислоту или основание. В распоряжении химиков есть множество индикаторов, которые меняют цвет при небольшом изменении pH. (Вы, вероятно, слышали, как термин "pH" употребляется в самых разных контекстах. Что касается меня, то я даже помню, как его использовали в рекламе дезодоранта по телевидению. Если хотите знать, что на самом деле означает этот термин, обратитесь к разделу " Кислый ли кофе? Водородный показатель pH".) Чаще всего используются следующие два индикатора:
S лакмусовая бумага;
S фенолфталеин.
Старая добрая лакмусовая бумага
Лакмус — это добываемое из некоторых лишайников вещество, которым пропитывают пористую бумагу. (Если вы намереваетесь попасть на популярную игру "Как стать миллионером", то вам пригодится следующая информация: лишайник — это растение, обнаруженное в Голландии и представляющее собой симбиоз водоросли и грибка, " сожительство" которых является взаимовыгодным. По-моему, звучит несколько цинично.) Лакмус бывает трех разных видов: красный, синий и нейтральный. Красный лакмус используется для определения оснований, синий — для кислот, а нейтральный — чтобы находить и то и другое. Если раствор кислый, то меняет цвет (краснеет) как синий, так и нейтральный лакмус. А если раствор основный, то меняет цвет (синеет) как красный, так и нейтральный лакмус. Лакмусовая бумага — прекрасное быстродействующее средство для выявления кислот и оснований (к тому же вам не придется вдыхать запах капусты, пока она варится).
Фенолфталеин поможет вам держаться в норме
Другим распространенным индикатором является фенолфталеин. Еще несколько лет назад он использовался в качестве активного ингредиента в одном популярном слабительном средстве. Фактически я извлекал фенолфталеин из этого слабительного, растворяя лекарство в политуре или в джине. Полученный раствор я до сих пор использую в качестве индикатора.
Фенолфталеин представляет собой прозрачную жидкость; в кислом растворе он бесцветный, а в щелочном — приобретает малиновый цвет. Обычно он используется в качестве индикатора при титровании — анализе, в ходе которого концентрация кислоты (или основания) определяется с помощью реакции нейтрализации основанием (или кислотой) известной концентрации.
Предположим, например, что требуется определить молярную концентрацию раствора HCl. Для этого нужно поместить известный объем кислоты (допустим, 25 мл, точно отмеренных с помощью пипетки) в колбу Эрленмейера (плоскодонная колба с коническими стенками), а затем добавить пару капель фенолфталеина. Поскольку в колбе содержится кислый раствор, индикатор останется бесцветным. Затем с помощью бюретки необходимо вводить небольшие порции стандартного раствора гидроксида натрия известной молярности (например, 0,100 М). (Бюретка — это градуированная стеклянная трубка с небольшим отверстием и запорным краном, с помощью которой можно отмерять точные объемы раствора.) Щелочь следует добавлять до тех пор, пока бесцветный раствор не станет приобретать едва различимый оттенок розового цвета. Этот этап называется конечной точкой титрования — когда кислота нейтрализуется основанием. Установка для титрования показана на рис. 12.2.
ж шжшгш NaOH
—□жшш НЬпжешЯ
+
Рис. 12.2. Титрование кислоты с помощью основания
Предположим, для достижения конечной точки титрования 25,00 мл раствора HCl требуется 35,50 мл 0,100 М раствора NaOH. Уравнение реакции нейтрализации приведено ниже.
Ж1(р-р) + NaOHfc-р) — H2O(ж) + NaClfc-р)
Из уравнения следует, что молярное соотношение кислоты и основания, участвующих в реакции, равно 1:1. Другими словами, если можно вычислить количество молей основания, потребовавшегося для нейтрализации кислоты, значит, можно вычислить концентрацию количества имеющихся молей HCl. А затем, зная объем раствора кислоты, можно вычислить его молярность (обратите внимание: чтобы сократить единицы измерения, нужно миллилитры преобразовать в литры).
0,100 мольNaOH 0,03550 л 1 моль HCl 1 П1,п»^г^, —-х—-х-х-= 0,142 M HCl
л1 1 моль Na OH 0,0250 л
Титрование основания стандартным раствором кислоты (с известной концентрацией) осуществляется таким же образом, за исключением того, что конечной точкой титрования является момент исчезновения розового цвета.
Кислый ли кофе? Водородный показатель
Кислотность раствора обычно выражают через концентрацию ионов гидроксония. Чем более кислым является раствор, тем больше концентрация этих ионов. Другими словами, раствор, в котором величина [H3O+] равна 1,0х10-2, является более кислым, чем раствор, в котором концентрация этих ионов равна 1,0х10-7. Оперировать числами с отрицательным показателем степени неудобно, поэтому условились выражать кислотность раствора как отрицательный логарифм концентрации ионов гидроксония. Называют эту величину водородным показателем, и обозначают ее pH. Математически это выглядит так:
pH = -lg [H3O+].
Из константы диссоциации воды Kw (см. раздел «Амфотерная вода» выше в главе) следует, что для чистой воды значение [H3O+] составляет 1,0х10-7. Используя это математическое равенство, можно вычислить pH для чистой воды.
pH = -lg [H3O+]
pH = -lg [1,0х10-7]
pH = -[-7] pH = 7
Итак, pH чистой воды равен 7. Это значение соответствует нейтральному раствору. Раствор называется кислым, если его значение [H3O+] больше, чем для воды, а значение pH<7. Раствор называется щелочным, если его значение [H3O+] меньше, чем для воды, а pH>7.
Значение водородного показателя фактически не имеет конца. У вас может быть раствор, значение pH которого меньше 0. (Например, для 10 М раствора HCl значение pH равно -1.) Впрочем, для слабых кислот и оснований, а также для разбавленных растворов сильных кислот и оснований значение pH находится в диапазоне от 0 до 14. Шкала pH показана на рис. 12.3.
Рис. 12.3. Шкала pH
Для раствора уксусной кислоты с концентрацией 2,0 М величина [H3O+] равна 6,0х10-3. Согласно шкале pH этот раствор является кислым. Теперь вычислим значение pH этого раствора.
pH = -lg [H3O+]
pH = -lg [6,0х10-3] pH = -[-2,22] pH = 2,22
Как уже отмечалось в разделе «Амфотерная вода», зная [OH-], можно с помощью выражения Kw вычислить [H3O+]. Наряду с показателем кислотности раствора pH используют другой показатель — pOH, который вычисляется как отрицательный логарифм концентрации гидроксильных ионов [OH-]. Однако пользуются этим показателем значительно реже.
Используя выражение для Kw и вычислив отрицательный логарифм левой и правой его части, получим 14 = pH + pOH. Это формула перехода от pOH к pH.
Зная [H3O+], можно вычислить pH и наоборот: зная pH, можно перейти к [H3O+]. Для этого используется так называемое обратнологарифмическое отношение.
[H3O+] = 10-pH
Например, pH крови человека составляет 7,3. Посмотрим, как из этого значения вычисляется [H3O+].
[H3O+] = 10-pH
[H3O+] = 10-7,3
[H3O+] = 5,01х10-8
Аналогичным образом можно вычислить [OH-], зная pOH.
Вещества, которые обычно находятся вокруг нас, обладают широким диапазоном значений pH. В табл. 12.4 перечислены некоторые распространенные вещества и их значения pH.
Таблица 12.4. Средние значения pH для некоторых распространенных веществ
Вещество
pH
Средство для чистки духовок
13,8
Средство для удаления волос
12,8
Нашатырный спирт
11,0
Магниевое молоко
10,5
Хлорная известь
9,5
Морская вода
8,0
Кровь человека
7,3
Чистая вода
7,0
Молоко
6,5
Черный кофе
5,5
Безалкогольные напитки
3,5
Аспирин
2,9
Уксус
2,8
Лимонный сок
2,3
Кислота для автомобильных аккумуляторов
0,8
Кровь человека имеет постоянное значение pH, примерно равное 7,3. Небольшой диапазон, в котором может изменяться pH крови, не причиняя вреда жизнедеятельности организма, составляет примерно ±0,2 pH. На значение pH нашей крови могут оказывать влияние различные факторы, например пища или высокие физические нагрузки. Регулировать значение pH крови и сохранять его в диапазоне от 7,1 до 7,5 помогают буферы.