Структурная формула кислот как составить

Содержание:

Понятие о кислотах:

Из курса природоведения вы знаете об уксусной кислоте, в 7 классе упоминалась серная кислота. Кислый вкус лимонам придает именно лимонная кислота. Обратите внимание, слово «кислота» есть в каждом из этих словосочетаний. Это потому, что эти вещества принадлежат к одной группе сложных веществ — кислотам. При этом, серная кислота — неорганическое вещество, а уксусная и лимонная — органические.

Что же представляют собой кислоты

Кислоты — сложные вещества. Подобно оксидам, они состоят из двух частей, а объединить их в одну группу позволяет наличие атомов водорода.

Ознакомимся с приведенными формулами кислот:

Качественный состав этих формул подтверждает наличие одного или нескольких атомов водорода.

Разделим формулы кислот черточкой на две части так, чтобы в первой были атомы водорода:

Оставшуюся часть называют кислотным остатком.

Вторая часть формул кислот отличается от первой части по составу.

Атомы водорода есть и в составе аммиака  но он не относится к классу кислот. Ведь кислотам свойственен еще один общий признак — способность атомов водорода замещаться атомами металлов и образовывать при этом соли.

Кислоты — это сложные вещества, которые содержат атомы водорода, способные замещаться металлом, и кислотный остаток.

Названия кислот

Ознакомьтесь с таблицей 1, в нее внесены неорганические кислоты, с которыми вы будете сталкиваться чаще всего.

До сих пор вы рассматривали валентность как способность атомов одного химического элемента соединяться или замещать определенное количество атомов другого элемента. Отныне ваши знания об этой физической характеристике атомов пополнятся информацией о валентности кислотных остатков. Оказывается, что кислотные остатки также способны совмещать определенное количество атомов или групп атомов.

Запись общей формулы кислот имеет такой вид:

Таким образом, валентность кислотного остатка равна количеству атомов водорода.

Физические свойства кислот

Неорганические кислоты, в основном, — жидкости. Среди них совсем мало твердых веществ (из приведенных в таблице 1 лишь ортофосфорная), нет газообразных.

Кислоты бесцветны, плотность всех кислот больше единицы. Они хорошо растворяются в воде (за исключением некоторых, в частности кремниевой).

И название класса соединений — кислоты, и восприятие вкусового ощущения — кислый — слова однокоренные. И это не случайно, ведь кислоты, в основном, кислые на вкус. Вы это знаете из собственного опыта, употребляя кисломолочные продукты (кефир, йогурт), фрукты, квашеные и свежие овощи (лимоны, яблоки и т. п.).

Запомните! В химическом кабинете ни в коем случае нельзя пробовать кислоты и любые другие вещества на вкус! Это очень опасно!

Кислоты повреждают слизистые оболочки органов пищеварения, при вдыхании паров раздражают слизистые оболочки органов дыхания, попадая на кожу, вызывают покраснения, болевые ощущения, а при большой концентрации — тяжелые ожоги. Кислоты портят одежду — на месте их попадания сразу или со временем появляется дыра. Некоторые кислоты имеют резкий неприятный запах, например соляная, серная, азотная.

Однако работа с кислотами в школьном химическом кабинете безопасна, так как учащиеся работают с разбавленными кислотами, а не с чистыми веществами. При этом нельзя допускать попадания кислот на одежду или тело и особенно в глаза.

Плотности всех кислот больше единицы, то есть они тяжелее воды. Существует правило приготовления растворов кислот: кислоту льют в воду (не наоборот!) небольшими порциями, помешивая стеклянной палочкой. Почему именно так? Имея плотность большую, чем плотность воды, кислота проходит сквозь толщу воды на дно сосуда и смешивается с водой. Если же сделать наоборот — воду лить в кислоту, — вода будет скапливаться на поверхности кислоты, от сильного разогревания (в результате химического взаимодействия) она закипит, а ее брызги могут попасть на тело или одежду. Если так приготовить раствор серной кислоты, то в результате сильного разогревания стеклянный сосуд может даже треснуть.

Однако кислоты не разрушают стекло (исключение — плавиковая кислота  некоторые пластмассы и резину. Поэтому во время работы с кислотами вам не помешает передник из поливинилхлоридного материала.

Запись состава кислот с помощью структурных формул

Как вы уже знаете, структурные формулы показывают не только количественный и качественный состав молекул, но и порядок соединения атомов в них. Как записывать структурные формулы кислот?

Пример 1. Записать структурную формулу соляной кислоты 

Зная, что одна черточка в структурной формуле соответствует одной единице валентности, а водород и кислотный остаток этой кислоты одновалентны, записываем: 

Пример 2. Записать структурную формулу серной кислоты.

Чтобы правильно записать структурную формулу кислоты, молекулярная формула которой  следует помнить, что в молекулах кислородсодержащих кислот атомы водорода соединены с атомами кислорода:

Итоги:

• Кислоты — класс неорганических соединений, молекулы которых состоят из атомов водорода, способных замещаться атомами металлов, и кислотного остатка.
• Валентность кислотного остатка определяется количеством атомов водорода, которые могут быть замещены атомами металла.
• Работая с кислотами, необходимо помнить об их химических свойствах и строго придерживаться правил безопасной работы с ними.

Тривиальные названия кислот (серная, соляная и др.) появились в последнем десятилетии XVIII ст., когда в 1792 году о них сообщил от имени своих коллег-химиков французский ученый Антуан Лавуазье на заседании Парижской академии. А до этого кислоты назывались произвольно. Среди нескольких названий серной кислоты было и название «купоросная», карбонатной — «воздушная».

Новая химическая номенклатура внедрялась медленно. В России к предложенным названиям обратились лишь через 100 лет. В частности, еще в 1875 г. в Петербургской академии наук обсуждалась возможность применения для кислоты  названия «Водород серович четырехкислов», подобно фамилии, имени и отчеству человека.

Способность металлов вытеснять водород из кислот

Вернемся к определению кислот как сложных веществ, в молекулах которых атомы водорода способны замещаться атомами металлов, и подтвердим это опытным путем.

Опыт 1. Поместим в пробирку немного магниевых опилок, дольем к ним воды и будем наблюдать. При комнатной температуре никаких изменений не происходит.

Опыт 2. Поместим в пробирку немного магниевых опилок, дольем к ним разбавленного раствора серной кислоты (1 часть кислоты и приблизительно 5 частей воды) и быстро закроем пробирку пробкой с газоотводной трубкой. При комнатной температуре магний активно взаимодействует с кислотой, о чем свидетельствует выделение пузырьков газообразного вещества.

Соберем газ способом вытеснения воды и испытаем его. Для этого наполненную газом пробирку закроем под водой стеклянной пластиной и извлечем пробирку из сосуда.

Выясним, какой газ мы собрали. Вам известно, что кислород поддерживает горение и в сосуде с ним горящая спичка или тлеющая щепка ярко загорятся. Наличие водорода также можно установить с помощью горящей спички — пламени ее достаточно, чтобы поджечь водород. Исходя из того, что в составе серной кислоты есть и атомы водорода, и атомы кислорода, проверим, какой газ — водород или кислород — мы собрали: поднеся зажженную спичку к отверстию пробирки, услышим приглушенный хлопок (взрыв). Окисление водорода спровоцировало небольшой взрыв, а яркого горения спички не наблюдалось.

Магний вытеснил из кислоты не кислород, а водород, о чем свидетельствует продукт реакции — водород: 

Следовательно, в результате реакции образовалось простое газообразное вещество. Оно не имеет запаха и цвета, потому мы и обнаружили его только после сожжения образовавшегося водорода.

Проанализируйте состав другого продукта этой реакции и сделайте вывод, простое это вещество или сложное. Образованное вещество относится к классу неорганических соединений — солям. С представителем этого класса соединений — поваренной солью  — вы уже встречались, разделяя смесь соли и воды испарением. Воспользуемся этим способом и проверим опытным путем наличие соли в растворе. Для этого несколько капель образовавшегося после реакции раствора выпарим на стеклянной пластине. После испарения воды на ней останется небольшое количество соли белого цвета.

Продолжим исследование способности атомов металлических элементов замещать атомы водорода в молекулах кислот, но уже на примере других металлов, и проделаем опыт с соляной кислотой и цинком.

Опыт 3. Поместим (осторожно!) на дно пробирки несколько гранул металла цинка, дольем к ним разбавленную соляную кислоту и будем наблюдать. Довольно быстро поверхность гранул покроется пузырьками газообразного вещества. Подогреем содержимое пробирки, и газ станет выделяться активнее. (Вспомните, как определяется относительная плотность газов по воздуху. Вычислите плотность водорода по воздуху и предложите, как нужно правильно держать пробирку, чтобы она наполнилась водородом.) Расчеты подтверждают, что водород в 14,5 раза легче воздуха. Следовательно, чтобы наполнить пробирку водородом, ее нужно держать вверх дном. Соберем водород в сухую пробирку способом вытеснения воздуха и испытаем его.

Как и в предыдущем опыте, раздается приглушенный хлопок. Следовательно, цинк вытеснил атомы водорода из молекул соляной кислоты, из атомов образовались молекулы водорода, и опыт это только что подтвердил: 

На стенках пробирки появились капельки воды — продукта окисления водорода: 

Запомните! Реакция горения водорода сопровождается взрывом. Поэтому для безопасности ее проведения объем водорода не должен превышать  вместимости пробирки.

Опыт 4. К медным опилкам добавим разбавленную соляную кислоту. Наблюдение показывает, что реакции не происходит: цвет меди и раствора не изменился, образования газообразного вещества не наблюдается. Подогреем содержимое пробирки и еще раз убедимся в отсутствии каких-либо изменений, т. е. медь не вытесняет водород из кислоты.

Таким образом, опытным путем мы выяснили, что одни металлы способны вытеснять водород из кислот, другие — нет. Это свойство металлов исследовал русский ученый Николай Николаевич Бекетов и по способности металлов вытеснять водород из кислот составил в 1863 г. вытеснительный ряд металлов, или ряд активности металлов:

Николай Николаевич Бекетов (1827 — 1911) — известный ученый в области физики и химии, русский по происхождению. Много лет работал профессором Харьковского университета (в настоящее время Харьковский национальный университет имени В. Н. Каразина). Ученый стоял у истоков одной из отраслей химической науки — физической химии. Ему принадлежит открытие одного из способов добычи металлов из руд-оксидов — алюминотермия. При этом способе используют свойства алюминия при определенной температуре вступать в реакцию с оксидом металла с последующим окислением. В результате выделяется металл в виде простого вещества высокой степени чистоты. Так добывают высокой чистоты железо, хром, кобальт, никель, марганец.

В 1863 г. Бекетов составил вытеснительный ряд металлов (ряд активности металлов).

Все металлы, расположенные в ряду активности металлов слева от водорода, вытесняют водород из кислот. Эта способность металлов ослабевает от лития к свинцу. Металлы, расположенные в вытеснительном ряду после водорода, не вытесняют водород из кислот, т. е. не взаимодействуют с кислотами. Эта закономерность не распространяется на азотную кислоту, которая взаимодействует с металлами, расположенными не только до водорода, но и после него, однако одним из продуктов реакции является не водород, а вода. Аналогично реагирует с металлами и концентрированная серная кислота.

Наличие в ряду активности металлов водорода дает возможность сделать вывод о том, будет ли взаимодействовать металл с кислотой.

Следует также знать, что металлы  вытесняют водород не только из кислот, но и из воды, в которой кислота растворена, поэтому запись лишь одного уравнения (металл + кислота) не всегда отвечает действительности.

В проведенных нами опытах активность металлов изменялась так: 

Выясним место металлов  в ряду активности и убедимся, что результаты этих опытов отвечают закономерности, установленной М. М. Бекетовым. Поэтому можем представить полученные результаты в виде химических уравнений:

Понятие об индикаторах

Индикаторами называют вещества или тела, с помощью которых обнаруживают конкретный признак другого вещества, тела или материала. Например, у электромонтеров есть прибор, который называется индикатором электрического тока. В химической лаборатории, а также лабораториях, где проверяют качество продуктов питания, также нужны индикаторы — вещества, с помощью которых определяют наличие кислот или оснований в растворе.

В школьной химической лаборатории пользуются в основном такими индикаторами: лакмусом, метиловым оранжевым (метилоранжем), фенолфталеином. Используют или их растворы, или индикаторные бумажные полоски (пропитанная индикатором бумага с последующим ее высушиванием).

На чем основывается применение индикаторов? Они приобретают различную окраску в воде, растворах кислот и оснований.

В воде лакмус приобретает фиолетовый цвет, метилоранж, — оранжевый, фенолфталеин — бесцветен.

Под воздействием кислот или оснований индикаторы изменяют свой цвет. При этом происходят сложные химические реакции, уравнения которых мы записывать не будем. А вот явлением, которое их сопровождает — изменением цвета, — воспользуемся уже при выполнении лабораторного опыта 1.

Итоги:

• Вытеснительный ряд металлов, или ряд активности металлов — это ряд, в котором металлы расположены по их способности вытеснять водород из кислот.
• Металлы, расположенные в ряду активности до водорода, вытесняют водород из кислот, металлы, расположенные в ряду активности после водорода,— не вытесняют.
• Качественной реакцией на водород является его взаимодействие с кислородом, во время которого слышится приглушенный хлопок — взрыв. Чтобы эта реакция состоялась, достаточно зажженную спичку поднести к отверстию пробирки с водородом.
• Кислоту в растворе можно обнаружить с помощью индикаторов лакмуса и метилового оранжевого.

Как было выяснено опытным путем, в растворах разных кислот все индикаторы имеют одинаковый цвет. Это свидетельствует о том, что к изменению цвета индикаторов причастен водород, потому что он входит в состав всех кислот, тогда как кислотные остатки у них разные. Действие на индикаторы оказывают не нейтральные атомы водорода, а его положительно заряженные ионы  (Вспомните, как в 7 классе вы научились различать атомы и ионы.) Если вы были внимательны, то обратили внимание на то, что в каждом опыте использовались водные растворы кислот, потому что чистые кислоты не действуют на индикаторы. Вода нужна для того, чтобы молекула кислоты распалась на положительно заряженные ионы (катионы) водорода и негативно заряженные ионы (анионы) кислотного остатка. При этом число образованных из одной молекулы кислоты катионов водорода равно числу его атомов в составе молекулы кислоты, в то время как анион кислотного остатка образуется один: 

Стрелки в обоих направлениях вместо знака «равенства» означают, что происходит не только образование ионов, но и обратный процесс, — ионы объединяются в молекулы.

Обратите внимание: каким бы сложным не был кислотный остаток, он образует единый ион и сохраняет свою целостность.

Итак, с помощью лакмуса, метилового оранжевого, универсального бумажного индикатора можно определить присутствие в растворе катионов водорода, или созданную ими кислую среду.

Определение кислот

Прочитав название параграфа, кое-кто вспомнит вкус лимона или апельсина. В самом деле, такой вкус обусловливают соединения, общее название которых — кислоты (рис. 10).

Кислота — соединение, молекула которого содержит один или несколько атомов Гидрогена, способных при химических реакциях замещаться на атомы металлического элемента.

Состав кислот

Все кислоты имеют молекулярное строение. Для них существуют две общие формулы — Кислот, которые отвечают первой формуле, немного. Их образуют неметаллические элементы VI и VII групп периодической системы.

Примеры химических формул кислот:

При замещении атомов Гидрогена в молекулах кислот, например, на атомы Натрия, образуются соединения* с такими формулами:

Часть молекулы кислоты, соединенную с атомом (атомами) Гидрогена, называют кислотным остатком. Для кислоты с формулой кислотным остатком является атом Хлора, для кислоты — группа атомов 

Количество атомов Гидрогена в молекуле кислоты определяет валентность кислотного остатка. Например, кислотный остаток одновалентный (молекула содержит один атом Гидрогена), а остаток — двухвалентный (в молекуле два атома Гидрогена). Таким образом, понятие «валентность» применяют не только для атомов, но и для групп соединенных между собой атомов.

Запишем над символами Гидрогена и Оксигена значения валентности этих элементов:

Количество единиц валентности для 4-х атомов Оксигена составляет а для 2-х атомов Гидрогена — Значение валентности атома Сульфура равно разнице между первым и вторым числом, т. е.

Поскольку кислоты — молекулярные соединения, то для них используют графические формулы. Составлять такие формулы для молекул кислот с общей формулой очень просто. Покажем, как это сделать для молекулы кислоты, которая состоит из атомов трех элементов, а также для ее кислотного остатка.

Пример №

Составить графические формулы молекулы кислоты и ее кислотного остатка.

Решение

Способ 1. Мы только что выяснили, что элемент Сульфур в кислоте шестивалентен. Записываем вокруг кислотообразующего атома 6 черточек:

Все эти черточки (единицы валентности) должны также «принадлежать» 4-м двухвалентным атомам Оксигена. Размещаем атомы Оксигена вокруг атома Сульфура. Двум атомам Оксигена «выделяем» по две черточки, а для двух других остается по одной:

черточке (Оксиген — двухвалентный элемент). Записываем эти черточки и получаем графическую формулу кислотного остатка

Из этой формулы видно, что остаток кислоты двухвалентен. Дописываем слева и справа по атому Гидрогена и получаем графическую формулу молекулы кислоты

Способ 2. Записываем химическую формулу соединения, выделив в ней группы атомов (гидроксильные группы):

Гидроксильная группа одновалентна: Соединяем черточкой каждую группу с атомом Сульфура:

Поскольку атом Сульфура шестивалентный, размещаем вокруг него еще четыре черточки и к каждой их паре записываем по атому Оксигена:

Классификация кислот

Кислоты отличаются друг от друга. Их делят на несколько групп. К каждой группе принадлежат кислоты, сходные по определенным признакам.

Существуют безоксигеновые и оксигенсодержащие кислоты. Названия этих групп кислот указывают на отсутствие или наличие в молекулах соединений атомов Оксигена.

Примеры кислот каждой группы:

Безоксигеновых кислот известно немного. Их общая формула — Это не чистые вещества, а водные растворы газообразных соединений некоторых неметаллических элементов с Гидрогеном:

Оксигенсодержащих кислот намного больше. Они имеют общую формулу

Другой признак для классификации кислот — количество атомов Гидрогена в молекуле соединения. Соответствующую характеристику кислоты называют основностью. Существуют одно-, двух-, трехосновные кислоты, а также несколько кислот с более высокой основностью. Примеры кислот соответствующих групп:

По химической активности кислоты делят на сильные и слабые. Сильные кислоты, в отличие от слабых, активно взаимодействуют со многими веществами. Известны также несколько кислот средней силы. Примеры кислот различной активности (см. также форзац 2):

Названия кислот

Кислоты имеют химические и тривиальные названия. Формулы и названия важнейших кислот указаны в таблице 1.

Это интересно. Цианидная кислота HCN — безоксигеновая кислота, образованная тремя элементами. Она является сильным ядом.

Химические названия кислот состоят из двух слов. Второе слово во всех названиях — кислота. Корень первого слова происходит от названия элемента, который образует кислоту (хлоридная кислота — соединение Хлора). Первое слово названия безоксигеновой кислоты имеет суффикс «ид» ( — сульфидная кислота). Для оксигенсодержащей кислоты это слово может иметь разные суффиксы. Если кислотообразующий элемент проявляет в соединении наивысшую валентность, то используют суффикс «ат» — сульфатная кислота), а если низшую — «ит» — сульфитная кислота). В химических названиях кислот есть еще и приставки «мета», «орто» (табл. 1).

Важнейшие кислоты

Тривиальные названия большинства кислот происходят от названий простых веществ или соединений элементов с Гидрогеном.

Кислота кислотный оксид. Для каждой оксигенсодержащей кислоты существует оксид. Его называют кислотным оксидом. Значение валентности кислотообразующего элемента в кислоте и в соответствующем оксиде — одно и то же:

Распространенность в природе

На нашей планете встречается немало кислот. Карбонатная кислота образуется в результате растворения в природной воде углекислого газа Во время извержений вулканов в атмосферу поступают сероводород и сернистый газ Первое соединение, растворяясь в воде, образует сульфидную кислоту, а второе, реагируя с водой, — сульфитную.

Растительный и животный мир богат на кислоты, которые принадлежат к органическим соединениям. Лимонная, яблочная, щавелевая кислоты содержатся в некоторых фруктах, ягодах, овощах (рис. 11), муравьиная кислота — в муравьях (поэтому их укусы ощутимы), пчелином яде, крапиве. При скисании молока, вина, фруктовых и ягодных соков образуются соответственно молочная и уксусная кислоты. Молочная кислота содержится также в квашеной капусте, силосе для скота; она накапливается в мышцах во время их работы. В желудочном соке есть неорганическая кислота — хлоридная.

Выводы:

Кислота — соединение,молекула которого содержит один или несколько атомов Гидрогена, способных в результате реакций замещаться на атомы металлического элемента. Для кислот существуют две общие формулы — и

Часть молекулы кислоты, соединенную с атомом (атомами) Гидрогена, называют кислотным остатком.

Все кислоты имеют молекулярное строение.

Существуют безоксигеновые и оксигенсодержащие кислоты. По количеству атомов Гидрогена в молекуле различают одноосновные, двухосновные, трехосновные кислоты, а по химической активности — сильные и слабые.

Каждой оксигенсодержащей кислоте соответствует оксид, который называют кислотным. В оксиде и кислоте значение валентности кислотообразующего элемента одно и то же.

Кислоты имеют химические и тривиальные названия.

Кислоты распространены в природе.

Свойства и применение кислот

Физические свойства кислот: Молекулярное строение кислот обусловливает их физические свойства. Молекулы в кислоте притягиваются друг к другу слабо (в отличие от противоположно заряженных ионов в основном оксиде или основании). Поэтому кислоты имеют низкие температуры плавления, почти все в обычных условиях являются жидкостями. Они растворяются в воде (кроме кислоты ), во многих случаях — неограниченно, т. е. смешиваются с водой в любых соотношениях с образованием растворов. При растворении некоторых кислот выделяется значительное количество теплоты (рис. 24).

Вам известно, что безоксигеновые кислоты представляют собой водные растворы газов — соединений некоторых неметаллических элементов с Гидрогеном (например, ). Эти газы выделяются из своих растворов даже в обычных условиях.

Летучей кислотой, т. е. такой, которая переходит в газообразное состояние при умеренном нагревании, является нитратная кислота а также несколько других. Летучие кислоты имеют запах.

Ортофосфатная кислота ортоборатная (борная) метасиликатная 3 — твердые вещества. Они, а также сульфатная кислота нелетучи.

Карбонатная и сульфитная кислоты существуют лишь в водном растворе. Соответствующие им оксиды взаимодействуют с водой не полностью, а кислоты, которые образуются, частично разлагаются на оксиды и воду:

Большинство кислот токсичны. Они вызывают серьезные отравления, ожоги кожи. Поэтому работать с кислотами надо очень осторожно, соблюдая правила техники безопасности. При попадании раствора кислоты на руку следует сначала смыть его проточной водой, затем обработать кожу разбавленным раствором соды (для удаления остатков кислоты) и хорошо промыть руку водой.

Химические свойства кислот: Способность кислот реагировать с другими веществами в значительной мере зависит от их устойчивости, летучести, растворимости в воде. Это необходимо учитывать, рассматривая химические свойства кислот.

Действие па индикаторы: Кислоты в водных растворах изменяют окраску индикаторов (рис. 25), но не всех и не так, как щелочи.
 

Реакции с металлами

Большинство известных вам кислот реагируют с металлами с выделением водорода и образованием солей (рис. 26). Среди них — все безоксигеновые кислоты, сульфатная (в разбавленном растворе):

В этих реакциях атомы металлического элемента, которые содержатся в простом веществе, замещают атомы другого элемента (Гидрогена) в сложном веществе.

Реакцию между простым и сложным веществами, в результате которой образуются новые простое и сложное вещества, называют реакцией замещения.

С названными кислотами взаимодействуют не все металлы. Возможность осуществления реакции между металлом и кислотой можно определить, используя ряд активности металлов. Его составил отечественный химик Н. Н. Бекетов на основании результатов изучения многих реакций металлов с кислотами и солями. Приводим большую часть этого ряда в современном виде (см. также форзац 2):

Формула неметалла водорода делит ряд на две части. Металлы, размещенные в левой части ряда, взаимодействуют с названными выше кислотами (при этом выделяется водород), а размещенные справа — не реагируют с ними (рис. 27):

Николай Николаевич Бекетов (1827—1911)

Выдающийся русский и украинский химик, академик Петербургской академии наук. Исследовал реакции солей с металлами и водородом в водных растворах. Предложил вытеснительный ряд, или ряд активности металлов (1865). Дал формулировку закона действующих масс, сходную с современной. Открыл и описал металлотермию — один из методов получения металлов. Проводил термохимические исследования. Содействовал становлению физической химии — одной из важнейших химических наук. Работал профессором в Харьковском университете (1855—1887), впервые читал курс лекций по физической химии как самостоятельной научной дисциплине. Был президентом Русского физико-химического общества.

Во время реакций нитратной, а также концентрированного раствора сульфатной кислоты с металлами вместо водорода образуются другие вещества (рис. 28). 

Реакции с основными оксидами и основаниями

Характерным свойством всех кислот является способность взаимодействовать с соединениями противоположного типа — основными оксидами и основаниями. Продуктами каждой реакции являются соль и вода. Эти химические превращения были рассмотрены в предыдущих параграфах. Примеры соответствующих химических уравнений:

Реакции с солями

Реакции кислот с солями относят к реакциям обмена. Не все они возможны. Назовем случаи, когда эти реакции происходят (рис. 29).

• Продукт реакции — соль или кислота — выпадает в осадок (это выясняем по таблице растворимости):

• Кислота-продукт является летучей, происходит от газообразного соединения или разлагается с образованием газа:

(Сокращение «тв» означает «твердое вещество >>, а «конц» — «концентрированный раствор».)

• Кислота, которая вступает в реакцию, является сильной, а кислота, которая образуется, — слабой. Примерами могут служить три последние реакции.

 

Термическое разложение оксигенсодержащих кислот

Оксигенсодержащие кислоты при нагревании, а карбонатная и сульфитная — в обычных условиях, разлагаются с образованием соответствующих кислотных оксидов и воды:

Одним из продуктов разложения сульфатной кислоты при умеренном нагревании является сульфур(VI) оксид, а при сильном нагревании этот оксид сам начинает разлагаться:

Реакция термического разложения нитратной кислоты имеет свою особенность. Это соединение разлагается на три вещества — нитроген(VI) оксид, кислород и воду (оксид соответствующий нитратной кислоте, весьма неустойчив):

Изложенный материал обобщен в схеме 3.

Схема 3. Химические свойства кислот

Применение кислот:

Наибольшее применение получили сульфатная, хлоридная, нитратная и ортофосфатная кислоты (табл. 4). Их получают на химических заводах в большом количестве.

Наверное, в каждой семье в домашнем хозяйстве есть уксус. Это — разбавленный водный раствор уксусной кислоты

(Подготовьте рассказ о том, для чего используют уксус.) В быту, повседневной жизни применяются и другие кислоты. Лимонная кислота является пищевым продуктом и консервантом, аскорбиновая — витамином С. (Уксусная, лимонная и аскорбиновая кислоты — органические соединения.) Раствор борной кислоты применяют как дезинфицирующее средство, а раствор сульфатной кислоты заливают в аккумуляторы автомобилей.

Выводы:

Кислоты — молекулярные вещества, растворимые в воде. Они изменяют окраску индикаторов, но не так, как щелочи.

Кислоты взаимодействуют с большинством металлов с выделением водорода и образованием солей. Такие реакции называют реакциями замещения. Возможность их осуществления определяют с помощью ряда активности металлов.

Кислоты реагируют с основными оксидами и основаниями с образованием солей и воды, а также с солями (продукты реакции — другие кислота и соль). Оксигенсодержащие кислоты разлагаются при нагревании.

Кислоты находят широкое применение в различных сферах.

Способы получения кислот

Прежде чем выбрать способ получения кислоты, нужно выяснить, безоксигеновой или оксигенсодержащей она является, а также — сильной или слабой, летучей или нелетучей, растворимой или нерастворимой в воде.

Реакция между водородом и неметаллом

Это способ получения безоксигеновых кислот:

Продукты таких реакций — хлороводород, сероводород, другие газообразные соединения неметаллических элементов VI или VII группы с Гидрогеном — растворяют в воде и получают кислоты.

На взаимодействии хлора с водородом основано промышленное производство хлоридной кислоты.

Реакция между кислотным оксидом и водой

Такую реакцию используют для получения оксигенсодержащих кислот:

Первая реакция происходит на завершающей стадии производства сульфатной кислоты. Осуществлять аналогичную реакцию между оксидом и водой для промышленного получения нитратной кислоты нецелесообразно, так как этот оксид неустойчив. Исходным веществом служит нитроген(IV) оксид:

Реакция между солью и кислотой

На этой реакции основан общий способ получения кислот — и безоксигеновых, и оксигенсодержащих. Продуктами являются другие соль и кислота.

Такую реакцию обмена можно осуществить с использованием растворов соли и кислоты, если удовлетворяется одно из двух условий:

• продукт реакции — новая соль или новая кислота — нерастворим в воде (это определяем по таблице растворимости):

• кислота, которую нужно получить, является слабой, а кислота, которая вступает в реакцию, — сильной (соответствующая информация помещена в §7):

Для получения сильной и летучей кислоты (в том числе и безоксигеновой) реакцию проводят не в растворе, а между твердой солью и нелетучей кислотой. Взаимодействию веществ способствует нагревание:

Пример №

Можно ли получить хлоридную кислоту с помощью реакции между калий хлоридом и сульфатной кислотой? Если да, то в каких условиях?

Решение

Продуктами реакции должны быть новые соль и кислота:

По таблице растворимости определяем, что все соединения растворимы в воде. Сульфатная и хлоридная кислоты — сильные, но отличаются по физическим свойствам: первая — нелетучая, а вторая — летучая (это водный раствор газа хлороводорода).

Реакцию можно осуществить только в отсутствие воды. Тогда хлороводород будет выделяться из реакционной смеси.

Итак, для получения хлороводорода и хлоридной кислоты нужно взять твердый калий хлорид и чистую сульфатную кислоту или ее концентрированный раствор. Чтобы ускорить взаимодействие твердого и жидкого веществ, необходимо нагревание (в растворе реакции обмена происходят мгновенно).

Запишем соответствующее химическое уравнение, указав условия осуществления реакции (рис. 41):

Изложенное обобщено в схеме 8.

Выводы:

Безоксигеновые кислоты получают с помощью реакций водорода с неметаллами с последующим растворением продуктов в воде.

Оксигенсодержащие кислоты получают взаимодействием кислотных оксидов с водой. Общий метод получения кислот основан на реакции обмена между солью и кислотой.

Классификация кислот

Ваших знаний о кислотах вполне достаточно, чтобы рассмотреть классификацию соединений этого класса. Прежде всего существуют кислоты, кислотные остатки которых содержат кислород, а есть кислотные остатки без атомов кислорода. Это дало возможность разделить кислоты на кислородсодержащие (например:  и бескислородные (например: 

Кроме того, в составе молекул разных кислот может быть неодинаковое число атомов водорода, которые в реакциях с основаниями замещаются металлическим элементом. Это дало возможность классифицировать кислоты на одноосновные и многоосновные. (Подумайте и приведите примеры одноосновных и многоосновных кислот.)

Химические свойства кислот

Кислоты проявляют достаточно высокую химическую активность с металлами, оксидами металлов, гидроксидами, а во многих случаях и солями. При этом кислотный остаток выступает единым целым и в неизменном виде переходит из состава кислоты в состав образовавшейся соли.

Обобщим известные вам свойства кислот и дополним их новыми.

Действие растворов кислот на индикаторы

Как индикаторы кислой среды используются: лакмус (водный раствор), метиловый оранжевый (водный раствор), лакмусовые и универсальные бумажные индикаторы. Последние изготавливают способом пропитки специальной бумаги не одним, а несколькими чувствительными к кислой и щелочной средам веществами. Поэтому ими можно сразу обнаружить обе среды.

Ранее вы узнали о таком индикаторе, как фенолфталеин. Обратите внимание — это вещество не является индикатором кислой среды. Как известно, лакмус и метиловый оранжевый (метилоранж) в кислой среде имеют розово-красный цвет, универсальный индикатор — от оранжевого до темно-красного (зависит от содержания кислоты в растворе — если кислота очень разбавлена, то цвет оранжевый, если в растворе содержимое кислоты значительное, то — темно-красный или близкий к нему).

Заметим, что на индикаторы действуют, изменяя их цвет, лишь водные растворы кислот.

Взаимодействие кислот с металлами

Вы уже знакомы с опытами, которые подтверждают, что металлы, размешенные в вытеснительном ряду до водорода, замещают водород в молекулах кислот, в результате чего образуется соль и выделяется газообразное вещество водород. Тогда как металлы, размещенные в вытеснительном ряду после водорода, не замещают водород в молекулах кислот (вспомните, что азотная кислота является исключением):

В 7 классе вы узнали о реакциях замещения. Взаимодействие металлов с кислотами относится к этому типу реакций, ведь атомы металла, то есть простого вещества, замещают атомы водорода в молекуле кислоты, которая относится к сложным веществам.

Реакции замещения — это реакции, при которых атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов сложного вещества.

Схематически это можно записать так:

Взаимодействие кислот с оксидами металлов

Кислоты взаимодействуют с оксидами металлов (как с основными, так и с амфотерными), независимо от места расположения металла в вытеснительном ряду. В результате взаимодействия образуются соль и вода:

К какому типу реакций относится это взаимодействие?

Из уравнений реакций видно, что простых веществ нет, есть лишь сложные, которые при реакции обменялись своими составными частями. Следовательно, взаимодействие кислот с оксидами металлов относится к реакциям обмена.

Взаимодействие кислот с основаниями

Исследуем это взаимодействие, поскольку его вы еще не изучали.

Опыт 1. Нальем в химический стакан раствор гидроксида натрия и измерим его температуру. Прибавим к нему соляной кислоты (вполне понятно, что до реакции ее температура равна температуре раствора щелочи и температуре воздуха в комнате).

Видимых внешне изменений не наблюдается. Но измерив температуру раствора в химическом стакане, видим, что она возросла. То есть выделилось тепло, а это является одним из признаков химической реакции.

Запишем уравнение наблюдаемого химического явления: 

Опыт 2. Нальем в химический стакан раствор гидроксида калия и капнем несколько капель фенолфталеина (рис. 9, а). Раствор сразу стал малиновым. В закрепленной в штативе бюретке (рис. 9, б), наполненной раствором серной кислоты, откроем кран настолько, чтобы кислота не лилась струей, а падала отдельными каплями в стакан со щелочью, и понаблюдаем за тем, что будет происходить в стакане с гидроксидом калия. Вскоре отметим, что первоначальная ярко-малиновая окраска раствора в стакане становится менее яркой, а затем и вовсе исчезает.

Это доказывает, что щелочи в стакане не осталось. Запишем уравнение реакции и выясним, какие вещества образовались из гидроксида калия и серной кислоты:

Как и в первом опыте, щелочь и кислота обменялись составными частями, о чем свидетельствуют продукты реакции — сложные вещества соль и вода. Следовательно, реакции между основаниями и кислотами относятся к реакциям обмена.

До сих пор для проведения опытов мы использовали растворимые в воде основания — щелочи. Реагируют ли кислоты с нерастворимыми основаниями? Выясним это опытным путем.

Опыт 3. В две пробирки поместим немного гидроксида меди — твердого вещества голубого цвета. К одной дольем 2—3 мл воды, а ко второй — столько же серной кислоты. Содержимое обеих пробирок подогреем. В пробирке с основанием и водой изменения не происходят, а в пробирке с основанием и кислотой раствор стал синего цвета. Появление окраски — признак химического явления:

Опытным путем мы установили, что кислоты вступают в реакцию обмена как с растворимыми основаниями (щелочами), так и с нерастворимыми.

Реакция между кислотой и основанием с образованием соли и волы называется реакцией нейтрализации.

«Нейтральный» значит — тот, который не принадлежит ни одному ни другому. Относительно реакции кислот с основаниями это означает, что после реакции не остается ни кислой, ни щелочной среды, а она становится нейтральной.

Взаимодействие кислот с солями

Кислоты взаимодействуют с солями, если среди продуктов реакции есть осадок или газ.

Опыт 4. В химический стакан нальем серной кислоты и прибавим раствор нитрата бария. Сразу же наблюдаем образование белого осадка. Запишем уравнение реакции и выясним, какой из продуктов реакции образовал осадок:

Соляная кислота не может быть осадком, а следовательно, в осадке находится сульфат бария. Проверим наше предположение по таблице растворимости солей, кислот и оснований в воде. Действительно, сульфат бария — это нерастворимая соль.

Опыт 5. В химический стакан положим кусочек мела и дольем азотной кислоты. Сразу же начинается реакция, которая сопровождается выделением газообразного вещества. (Какое это вещество?) Поскольку карбонат кальция — соль угольной кислоты, а ей отвечает оксид углерода можем предположить, что выделяется именно этот оксид. Соляная кислота содержит атомы водорода, из них может образоваться водород. Поэтому проведем качественное определение газа, который выделяется. Поднесенная к отверстию химического стакана спичка сразу же гаснет, и этот процесс не сопровождается приглушенным хлопком. Следовательно, выделяется углекислый газ. Запишем уравнение реакции:

Рассмотрите уравнения реакций, которые происходили в опытах 4 и 5, и сделайте вывод, к какому типу реакций они относятся.

Итоги:

• Классификация кислот.

• Общие свойства кислот:

• В реакциях обмена кислотный остаток кислот переходит из состава кислоты в состав соли как единое целое.

В отличие от растворов других кислот, азотная кислота взаимодействует почти со всеми металлами, за исключением золота, платины. При этом образуется не два, а три продукта реакции. Для всех реакций общим является образование соли и воды. Что же касается третьего вещества, то в зависимости от активности металла и содержания кислоты в растворе это могут быть оксиды азота с разной его валентностью  простое вещество азот  или аммиак  Например:

Характерно, что растворы со значительным содержимым азотной кислоты (свыше 60 %) не взаимодействуют с железом. Поэтому по железной дороге такую кислоту транспортируют в стальных цистернах.

Получение соляной кислоты и ее свойства

Изучая свойства оксидов, вы выяснили, что кислотные оксиды (за некоторым исключением, в частности оксид кремния вступают в реакцию соединения с водой и образуют кислоты:

Но все это — кислородсодержащие кислоты. А как получают бескислородные кислоты, например соляную? Способы ее получения в промышленности и в лаборатории разные. Рассмотрим их.

Вы, наверное, обратили внимание, что в тексте учебника ни разу не было написано «раствор соляной кислоты», потому что эта кислота является ничем иным, как раствором газообразного хлорида водорода (хлороводорода) в воде. Поэтому, чтобы получить соляную кислоту, нужны хлороводород и вода-раство-ритель.

В промышленности хлороводород получают в специально построенных печах синтеза (от гр. синтез — составление, соединение), где происходит реакция соединения водорода с хлором, сопровождающаяся выделением света и тепла (вспомните, какое общее название имеют реакции с такими признаками):

Полученный таким способом газ растворяют в воде (точнее — в соляной кислоте с низким содержанием хлороводорода). Благодаря высокой растворимости хлороводорода в воде удается получить соляную кислоту с содержанием этого газа до 40 % по массе.

Существует лабораторный способ получения соляной кислоты. Получают ее в приборе, изображенном на рисунке 10, из твердой кристаллической соли хлорида натрия, действуя на нее раствором серной кислоты с высоким содержанием (60— 70 %) растворенного вещества. Такие растворы называют концентрированными. Растворы с низким содержанием растворенного вещества получили название разбавленных.

Реакцию проводят при нагревании:

Опыт 1. Заполним 1/4 объема пробирки хлоридом натрия и добавим серной кислоты столько, чтобы она смочила соль. Поскольку хлороводород — газообразное вещество, то благодаря нагреванию его молекулы активно двигаются, оставляют сосуд, где они образовались, и по газоотводной трубке попадают в пробирку, заполненную на 1/3 водой.

Обратите внимание, прибор собран так, что конец газоотводной трубки не касается воды. Поскольку  тяжелее воздуха и воды, он направляется в сосуд с водой и растворяется в ней (видно, как образованная кислота струится вниз).

Хлороводород хорошо растворяется в воде, поэтому можно быстро получить соляную кислоту, необходимую для проведения последующих опытов.

Опыт 2. Отольем немного полученного раствора хлороводо-рода в чистую пробирку и испытаем его на наличие кислой среды с помощью индикатора, например метилового оранжевого. Раствор приобретает розовую окраску.

Воспользуемся полученной соляной кислотой для последующих опытов.

Опыт 3. К пробирке с кислотой и индикатором прибавим щелочь. Розовая окраска раствора изменяется на оранжевую. Следовательно, произошла нейтрализация кислоты щелочью:

Опыт 4. Поместим в пробирку немного карбоната натрия и прибавим к нему часть полученной соляной кислоты. Активное выделение газа свидетельствует о химическом явлении. Поднесенная к отверстию пробирки спичка гаснет. Следовательно, выделяется углекислый газ:

Опыт 5. К остальной кислоте прибавим раствор нитрата серебра  Сразу же образуется белый творожистый осадок (подобный скипевшемуся молоку):

Образованный осадок не растворяется в воде и не взаимодействует с другими кислотами. На основании проведенных наблюдений делаем вывод.

С помощью раствора нитрата серебра можно отличить соляную кислоту от других кислот.

Взаимодействие соляной кислоты с металлами исследуйте самостоятельно, выполнив в классе лабораторный опыт 2, описанный в рубрике «Страница естествоиспытателя».

По рисункам 11 и 12 узнайте о распространенности кислот в природе и их применении.

• — производство химических волокон, взрывчатых веществ, удобрений, моющих средств, красок, лекарственных препаратов, эфиров, сульфатов; в гальванических элементах и аккумуляторах.
• — травление, паяние металлов, получение хлоридов, добыча металлов из руд
• — производство удобрений, взрывчатых веществ, целлюлозы, получение разных солей
• — получение ортофосфатов; изготовление полировочных смесей, катализаторов, лекарственных средств, безалкогольных напитков

Итоги:

• Соляная кислота — одноосновная бескислородная кислота, которая проявляет все общие свойства кислот.
• В промышленности соляную кислоту получают из водорода и хлора, растворяя образовавшийся газообразный продукт реакции хлороводород в воде.
• В лаборатории соляную кислоту получают взаимодействием кристаллического хлорида натрия и концентрированной серной кислоты.
• Наличие соляной кислоты можно обнаружить не только с помощью индикаторов, но и добавлением раствора нитрата серебра. Образуется нерастворимый в воде и других кислотах творожистый осадок белого цвета — хлорид серебра 

В XV ст. кислота состава  поражала воображение алхимиков тем, что дымила на воздухе, обжигала язык, вызывала кашель, разъедала металлы и разрушала ткани. Называли ее в ту пору «кислым спиртом». В XVII ст. бытовало другое, достаточно необычное название — «дух из солей». Происхождение названия легко объясняется. Дело в том, что кислоту тогда получали способом, которым мы сегодня получили ее в лаборатории, — из хлорида натрия и концентрированной серной кислоты. Кстати, этот способ, как промышленный, продержался с конца XVII в. до 60-х годов XX века.

Справочный материал по кислотам

Бескислородные и кислородсодержащие кислоты получают соединением простых и сложных веществ.

1. При получении бескислородных кислот водород взаимодействует с неметаллом, а полученное газообразное вещество растворяется в воде:

2. Кислородсодержащие кислоты образуются в результате взаимодействия кислотного оксида и воды:

Классификация

Кислота	Название кислоты	Кислотный остаток	Валентность кислотного остатка
H3PO4	?	?	?
?	?		?
?	Метакремниевая кислота	?	?

Какие кислоты вы знаете? Приведите примеры кислотных остатков. Какие методы получения кислот вы знаете?

В VII классе при изучении темы водорода вы ознакомились с некоторыми представителями кислот (соляная и серная кислоты). Теперь же вы более подробно ознакомитесь со всеми представителями кислот.

Классификация: Атомы или группы атомов, соединенные с водородом в молекулах кислот, называются кислотными остатками. Заряд кислотного остатка всегда отрицательный ( ) и по своему числовому значению он равен основности кислоты.

Кислоты классифицируются по составу, основности и по силе.

Активность кислот определяется степенью концентрации ионов водорода, образовавшихся в их водных растворах (моль/л).

Число атомов водорода, способных замещаться атомами металла в молекуле кислоты, показывает основность кислоты и соответствует валентности кислотного остатка.

Количество атомов водорода, соединенных с атомом кислорода в кислородсодержащих кислотах, и количество атомов водорода, соединенных с атомами неметаллов в бескислородных кислотах, соответствует основности кислоты.

Номенклатура

Названия кислот заимствованы из латинского названия образующих их неметаллов. В бескислородных кислотах к окончанию названий элементов, образующих кислоты, добавляется суффикс «ид». Если в кислородсодержащих кислотах элемент, образующий кислоту, обладает высокой валентностью, то к его окончанию добавляется суффикс «ат», а если средней валентностью то суффикс «ит».

Если кислотообразующий элемент образует несколько кислот с одинаковой валентностью (степенью окисления), то к началу названия кислоты, у которой к одному атому данного элемента присоединено наибольшее количество атомов кислорода, добавляется приставка «орто», а при наименьшем количестве атомов кислорода приставка «мета». К названию же кислородсодержащих кислот, полученных путем нагревания этих кислот, добавляется приставка «пиро».

При образовании элементами более двух кислородсодержащих кислот пользуются названиями с добавлением суффиксов -н-, -ат-, -новат-, -ист-, -новагист-.

Графические формулы кислот

Последовательность расположения элементов в молекулах кислот можно проследить по их графическим формулам.

Линии между атомами в этих формулах выражают валентность элементов.

Получение

При непосредственном взаимодействии неметаллов с водородом

Кислотные оксиды, непосредственно взаимодействуя с водой, образуют соответствующую кислоту. SiO₂ не вступает в реакцию с водой.

При взаимодействии солей с кислотами
Наиболее часто применяемый способ получения кислот взаимодействие солей с кислотами.

органические кислоты, H₂CO₃, H₂S, H₂SiO₃

В этом ряду каждая кислота вытесняет из солей следующую за ней кислоту. Поскольку HCl, HNO₃, Н₃РО₄ одинаково сильные кислоты, они не вытесняют друг друга.

При получении кислот подобным способом исходные вещества соль должна быть в твёрдом состоянии, а кислота более концентрированной и малолетучей. Серная кислота более сильная и малолетучая. Вот почему обычно при получении других кислот используют именно эту кислоту

2NaCl_(тв.) + H₂SO_4(конц.) Na₂SO₄ + 2HC1↑

Ca₃(PO₄)_2(тв.) + 3H₂SO_{4 (конц.)}    3CaSO₄↓ + 2H₃PO₄

Физические и химические свойства кислот

Определите типы химических реакций.

	Разложения	Обмена	Замещения
1. Fe+HCl→
2. Mg +H3PO4→
3.  Pb(NO3)2 +HCl →
4. H2SO3

На основе какого правила был составлен ряд активности металлов? В получении какого простого вещества применяется реакция металлов с разбавленными кислотами (кромеразбавленного HNO₃)?

Физические свойства:

По своему агрегатному состоянию кислоты классифицируются следующим образом. Кислоты хорошо растворяются в воде (кроме мегакремниевой кислоты).

Водные растворы газообразных хлорида водорода (хлороводорода), бромида водорода (бромоводорода) и йодида водорода (йодоводорода) образуют соответствующие кислоты. Водные растворы кислот имеют кислый вкус. Кислоты, как и щелочи, меняют цвет индикаторов.

Кислый вкус ряда употребляемых нами плодов (яблок, алычи, лимона и др.) и ягод объясняется наличием в их составе органических кислот. Зачастую эти кислоты носят названия тех плодов, в составе которых они содержатся. Например, яблочная кислота, лимонная кислота и др.

При хранении в открытом сосуде неустойчивых кислот (HNO₃, H₂CO₃, H₂SO₃ и др.), а также кислот, полученных при растворении газов, их масса уменьшается или в результате разложения, или же за счет выделения газа из раствора. При хранении в отрытом сосуде растворов гигроскопических (водопоглощающих) кислот (например, H₂SO_{4 (конц.)} ,) их масса увеличивается.

Химические свойства и взаимодействие кислот с металлами

Возьмите четыре пробирки. Поместите в каждую из пробирок по отдельному куску металлов Mg, Zn, Fe u Си и добавьте к ним немного 20% него раствора соляной кислоты. Что вы наблюдаете? Запишите уравнения реакций.

В результате изучения взаимодействия кислот с металлами был составлен ряд активности металлов.

Li, К, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Ni, Sn, Pb, H, Cu, Hg, Ag, Pt, Au 

Химическая активность уменьшается

C уменьшением активности металлов уменьшается и скорость протекания их реакций с одной и той же кислотой. Металлы, расположенные в ряду активности до водорода, при вступлении в реакцию с разбавленными кислотами (кроме разбавленной HNО₃) вытесняют из них водород. А металлы, расположенные в ряду активности после водорода, не вступают в реакцию с разбавленными кислотами (кроме разбавленной HNO₃).

Cu + H₂SO_4(разб.)   реакция не протекает Fe + H₂SO_4(разб.)  → FeSO₄ + H₂ ↑

Взаимодействие кислот с неметаллами
C+4HNO_3(конц.) CO₂ +4NO₂ + 2H₂O

ЗР + SHNO_3(конц.) + 2H₂O ЗН₃PO₄ + 5NO

Взаимодействие кислот с аммиаком. Кислоты вступают с аммиаком в реакцию соединения. При вступлении в реакцию одноосновных кислот с аммиаком, независимо от соотношения молей, всегда получается нормальная соль.
NH₃+ HNO₃→ NH₄NO₃

В результате реакции соединения многоосновных кислот с аммиаком, в зависимости от соотношения молей, образуются разные соли.
2NH₃ +H₂SO₄ → (NH₄)₂SO₄

Разложение кислот. Некоторые кислоты разлагаются с выделением воды.
H₂SiO₃SiO₂+ H₂O

Кислоты

Кислоты – это сложные вещества, молекулы которых состоят из атомов водорода, способных замещаться, и кислотных остатков.

Кислотный остаток имеет отрицательный заряд.

По содержанию в молекуле атомов кислорода кислоты бывают бескислородные и кослородсодержащие.

Бескислородные кислоты: HCl, HBr, H₂S и т.д.

Кислородсодержащие кислоты: HNO₃, H₂SO₄, H₃PO₄ и т.д.

Элемент, который вместе с атомами водорода и кислорода образует молекулу кислородсодержащей кислоты, называют кислотообразующим.

По числу в молекуле атомов водорода кислоты подразделяют на одноосновные и многоосновные.

Одноосновные кислоты содержат один атом водорода: HCl, HNO₃, HBr и т.д.

Многоосновные кислоты содержат два и более атомов водорода: H₂SO₄ (двухосновная), H₃PO₄ (трехосновная).

В бескислородных кислотах к названию элемента, который образует кислоту, прибавляют соединительную гласную «о» и слова «…водородная кислота». Например: HF – фтороводородная кислота.

В кислородсодержащих кислотах:

— если кислотообразующий элемент проявляет максимальную степень окисления (она соответствует номеру группы), то к названию элемента прибавляют «…ная кислота». Нопример:

+1+5-2

HNO₃ – азотная кислота (потому что атом азота имеет максимальную степень окисления +5)

— если степень окисления элемента ниже максимальной, то прибавляют «…истая кислота»:

+1+3-2
HNO₂ – азотистая кислота (т.к. кислотообразующий элемент N имеет минимальную степень окисления).

Кислота, содержащая наибольшее число атомов кислорода, имеет приставку «орто-»:

H₃PO₄ – ортофосфорная кислота.

Кислота, содержащая наименьшее число атомов кислорода, получает приставку «мета-»:

HPO₃ – метафосфорная кислота.

Структурные формулы кислот.

В молекуле кислородсодержащей кислоты атом водорода связан с атомом кислотообразующего элемента через атом кислорода. Поэтому при составлении структурной формулы к атому кислотообразующего элемента в первую очередь нужно присоединить все гидроксид-ионы.

                 +1 +6 -2
Например, H₂SO₄ (рис.1):

 Затем оставшиеся атомы кислорода двумя черточками соединить непосредственно с атомами кислотообразующего элемента (рис.2).

Формулы кислот

Определение и формулы кислот

Кислоты – электролиты, при диссоциации которых из положительных ионов образуются только ионы H⁺:

HNO₃ ↔ H⁺ + NO₃^—;

CH₃COOH↔ H⁺ +CH₃COO^—.

Все кислоты классифицируют на неорганические и органические (карбоновые), которые также имеют свои собственные (внутренние) классификации.

При нормальных условияхзначительное количество неорганических кислот существуют в жидком состоянии, некоторые – в твёрдом состоянии (H₃PO₄, H₃BO₃).

Органические кислоты с числом атомов углерода до 3 представляют собой легкоподвижные бесцветные жидкости с характерным резким запахом; кислоты с 4-9 атомами углерода — маслянистые жидкости с неприятным запахом, а кислоты с большим количеством атомов углерода— твёрдые вещества, нерастворимые в воде.

Химические формулы кислот

Химические формулы кислот рассмотрим на примере нескольких представителей (как неорганических, так и органических): хлороводородной кислоте –HCl, серной кислоте – H₂SO₄, фосфорной кислоте — H₃PO₄, уксусной кислоте – CH₃COOH и бензойной кислоте – C₆H₅COOH. Химическая формула показывает качественный и количественный состав молекулы (сколько и каких атомов входит в конкретное соединение) По химической формуле можно вычислить молекулярную массу кислот (Ar(H) = 1 а.е.м., Ar(Cl) = 35,5 а.е.м., Ar(P) = 31 а.е.м., Ar(O) = 16 а.е.м., Ar(S) = 32 а.е.м., Ar(C) = 12 а.е.м.):

Mr(HCl) = Ar(H) + Ar(Cl);

Mr(HCl) = 1 + 35,5 = 36,5.

Mr(H₂SO₄) = 2×Ar(H) + Ar(S) + 4×Ar(O);

Mr(H₂SO₄) = 2×1 + 32 + 4×16 = 2 + 32 + 64 = 98.

Mr(H₃PO₄) = 3×Ar(H) + Ar(P) + 4×Ar(O);

Mr(H₃PO₄) = 3×1 + 31 + 4×16 = 3 + 31 + 64 = 98.

Mr(CH₃COOH) = 3×Ar(С) + 4×Ar(H) + 2×Ar(O);

Mr(CH₃COOH) = 3×12 + 4×1 + 2×16 = 36 + 4 + 32 = 72.

Mr(C₆H₅COOH) = 7×Ar(C) + 6×Ar(H) + 2×Ar(O);

Mr(C₆H₅COOH) = 7×12 + 6×1 + 2×16 = 84 + 6 + 32 = 122.

Структурные (графические) формулы кислот

Структурная (графическая) формула вещества является более наглядной. Она показывает то, как связаны атомы между собой внутри молекулы. Укажем структурные формулы каждого из вышеуказанных соединений:

Ионные формулы

Все неорганические кислоты являются электролитами, т.е. способны диссоциировать в водном растворе на ионы:

HCl ↔ H⁺ + Cl^—;

H₂SO₄ ↔ 2H⁺ + SO₄^2-;

H₃PO₄ ↔ 3H⁺ + PO₄^3-.

Примеры решения задач

CharChem
^:

Система описания химических формул для WEB.

Химические формулы для «чайников» Научно-популярная статья о химических формулах. Обсуждаются структурные развёрнутые, упрощенные и скелетные формулы. А так же истинные и рациональные формулы. Изначально сайт был задуман, как ресурс для профессиональных химиков. Но в реальности из поисковых систем происходит очень много обращений от людей, только начинающих изучать химию. Специально для них создан этот раздел, чтобы в доступной форме рассказать о том, как составляются химические формулы. Содержание Структурные формулы — это просто! Я думаю, что знакомство с формулами лучше всего начать со структурных формул органических веществ. Считается, что они сложны для понимания, поэтому в школе их изучают в выпускных классах. Но я уверен, что через 10 минут вы разберетесь, как легко составлять структурные формулы. Перед нами структурная формула метана — самого простого органического вещества. H-C-H;H|#2|H Что мы видим? В центре латинская буква C, а от неё четыре палочки, на концах которых четыре латинских буквы H. C означает углерод, а H — водород. Это два самых важных элемента, которые входят в состав любых органических веществ. А что означают палочки? Это химические связи. В них кроется практически весь секрет органической химии. Фокус в том, что валентность углерода равна 4. Поэтому у каждой буквы C должно быть 4 палочки. А валентность водорода равна 1, поэтому у него палочка должна быть только одна. По-моему, палочки отлично демонстрируют такие «страшные» понятия, как химические связи и валентность. Структурные формулы могут слегка менять свой внешний вид. В них главное — количество элементов и наличие нужных связей. Например, формула метана может иметь и такой вид: H-C-H; H|#2|H = $slope(45)H/C/H;H#CH$slope() = HC/H; H/#CH = C<_(x-1.5,y1)H><_(x-.5,y1)H><_(x.5,y1)H>_(x1.5,y1)H Все эти картинки означают одно и то же. И считаются одинаковыми формулами. В общем, структурные формулы не являются какими-то жесткими конструкциями. Если вдруг Вам захотелось бы сделать модель молекулы из подручных материалов, то для этого лучше всего подошли бы шарики, соединённые пружинками или резинками. Под шариками я конечно подразумеваю атомы, а резинки — химические связи. Но в химии приняты не только структурные формулы. И здесь мы познакомимся с некоторыми из них. Достаточно распространены так называемые истинные формулы. Для метана истинная формула записывается так: CH4 Палочки исчезли, а вместо четырёх букв H осталась одна, но с маленькой цифрой 4, которая указывает количество атомов. Иногда такие формулы называют брутто-формулами. Мне почему-то такое название нравится больше, поэтому я буду чаще пользоваться именно таким термином. Обе формулы — структурная и истинная — означают одно и то же вещество. Структурная конечно более понятна, но брутто-формула проще записывается. Стоит упомянуть, что метан — это природный газ, который знаком всем, у кого есть газовая плита. Но не будем на нём долго задерживаться. Пора посмотреть, какие ещё бывают варианты органических структур. Углеводороды Прежде, чем мы начнём знакомство с многочисленными органическими соединениями, хочу напомнить — мы здесь изучаем химические формулы. А все упоминаемые вещества служат для иллюстрации. Вещество Развёрнутая структурная формула Упрощенная структурная формула Брутто-формула Этан H-C-C-H; H|#2|H; H|#3|H CH3-CH3 Пропан H-C-C-C-H; H|#2|H; H|#3|H; H|#4|H CH3-CH2-CH3 Бутан H-C-C-C-C-H; H|#2|H; H|#3|H; H|#4|H; H|#5|H CH3-CH2-CH2-CH3 Пентан H-C-C-C-C-C-H;H|#2|H;H|#3|H;H|#4|H;H|#5|H;H|#6|H CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 Гексан H-C-C-C-C-C-C-H;H|#2|H;H|#3|H;H|#4|H;H|#5|H;H|#6|H;H|#7|H CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 или то же самое, но короче: CH3-(CH2)4-CH3 C6H14 Здесь представлены органические вещества, называемые углеводородами. Название означает, что они состоят только из углерода и водорода. Эти вещества в различной мере входят в состав нефти. И это далеко не полный список. Но сначала смотрим ту колонку, которая называется Развёрнутая структурная формула. Мы видим уже знакомые буквы C и H, соединённые химическими связями — палочками. Главное правило по-прежнему в силе: у каждой буквы C четыре палочки, а у каждой H — одна. Что здесь нового? Появились химические связи между атомами углерода. И в результате оказалось, что молекулы органических веществ могут строиться при помощи таких цепочек, где звеньями являются атомы углерода с прилипшими к ними водородами. Теперь посмотрим на колонку, где представлены упрощённые структурные формулы. Несложно догадаться, что они призваны экономить время людей, которые постоянно пишут формулы. Особенно, если эти формулы достаточно большие. Правила здесь довольно простые — убираем палочки между углеродом и водородом и пишем число атомов водорода в виде числа. Таким образом, звенья цепочки становятся видны гораздо более отчётливо. По-научному они называются функциональные группы. Можно даже довольно быстро понять некоторые более хитрые закономерности. Например, группа на конце цепочки записывается CH3, а в середине цепочки — CH2. А для ещё большей экономии повторяющиеся группы можно объединить в скобочках, подписав количество повторов. Это показано в последней строке таблицы для формулы гексана: CH3-(CH2)4-CH3. Некоторые функциональные группы получают собственные названия и даже специальные обозначения. Например, группа CH3 называется метильная группа (от названия метана) и имеет собственное обозначение: Me. Если Вам попадётся, к примеру, такая формула: {Me}-CH2-{Me}, то ничего страшного тут нет. Это то же самое, что CH3-CH2-CH3, то есть — пропан. Двойные и тройные связи Итак, за короткое время мы уже разобрались, что такое структурные формулы и выяснили, что они бывают развёрнутые и упрощённые. Но пока что мы познакомились только с одинарными химическими связями. Но на самом деле существуют двойные и даже тройные связи. Посмотрим на следующую таблицу. Вещество Развёрнутая формула Упрощённая формула Брутто-фломула Этен (Этилен) $slope(55)HC<`/H>_(x1,N2)C<H>/H CH2=CH2 Пропен (Пропилен) $slope(45)HC-C/C/H; H#-3H;H/#2-#3H CH2=CH-CH3 Бутен (Бутилен) HC<`/H>=C<|H>-C<`|H><|H>-C-H; H|#-3|H CH2=CH-CH2-CH3 Этин (Ацетилен) H-C%C-H CH%CH Пропин (Метилацетилен) H-C%C-C-H; H|#-3|H CH%C-CH3 Бутин (Этилацетилен) H-C%C-C<`|H><|H>-C-H; H|#-3|H CH%C-CH2-CH3 Представленные здесь вещества тоже относятся к углеводородам. Если хорошенько присмотреться, то можно увидеть определённое сходство с веществами из первой таблицы. Названия формируются заменой буквы в конце названия: этан — этен — этин или пропан — пропен — пропин. Сходство не ограничивается названиями. Главное — одинаковое количество атомов углерода. А значит — одинаковое количество звеньев в цепи. Различие кроется в наличии двойных и тройных связей. Углеводороды в первой таблице называются предельными. Это означает, что к ним больше ничего нельзя добавить. А во второй таблице представлены непредельные углеводороды. То есть, при определённых условиях к ним можно добавить по парочке атомов водорода. Кроме того, появились дополнительные названия. Тут тоже нет ничего страшного. Верхние названия, которые без скобок — это научные названия. А в скобках даны традиционные названия, которые тоже довольно часто употребляются как в научной литературе, так и в быту. Циклические углеводороды Продолжим знакомство с формулами углеводородов. Они ещё не раскрыли нам всех своих секретов. Оказывается, что цепочки могут быть замкнутыми. То есть, атомы углерода соединяются друг с другом циклически. Вещество Развёрнутая формула Упрощённая формула Брутто-формула Циклопропан $slope(60)H`/C`/C:a`/H; H#CC:bH; H-#a-#b-H H2C_(x1.4)CH2_q3CH2_q3 Циклобутан H|C|C|H; H|C|C|H; H-#2-#6-H; H-#3-#7-H H2C-CH2`|CH2`-H2C_#1 Циклопентан C_(x1.1)C@:H2()<_(a24)H><_(a84)H>@()_qC@H2()_qC@H2()_qC@H2()_q@H2() H2C_(x1.4)CH2_qCH2_qCH2_qH2C_q Циклогексан CC@:H2()<_(a-30)H><_(a-90)H>@()|C@H2()`/C@H2()`C@H2()`|C@H2()/@H2() $L(1.3)CH2CH2|CH2`/CH2`H2C`|H2C/ Изомеры До сих пор мы не особенно обращали внимания на последнюю колонку, где выведены брутто-формулы. Но может возникнуть вполне законный вопрос: зачем вообще нужны структурные формулы? Ведь брутто-формулы гораздо проще записывать. Может быть, достаточно было бы пользоваться только ими? Но оказывается, что без структурных формул обойтись не получится. Например, если сравнить брутто-формулы из двух предыдущих таблиц, то мы увидим, что циклопропан имеет абсолютно тот же состав, что и пропен (C3H6). А брутто-формула циклобутана совпадает с бутеном (C4H8). Но это разные вещества! И разница заключается в структуре. То есть, имеет большое значение, в каком порядке элементы соединены друг с другом. А значит, именно структурные формулы позволяют точно описать нужное вещество. В химии существует такое понятие как изомеры. Так называют разные вещества, которые имеют одинаковый состав. Это не редкость. И в этом нет ничего странного. Ведь бывают же совершенно разные слова, состоящие из одинаковых букв. Классическими изомерами среди углеводородов можно назвать бутан и изобутан. Посмотрим на их формулы: Вещество Развёрнутая структурная формула Упрощенная структурная формула Брутто-формула Бутан H-C-C-C-C-H; H|#2|H; H|#3|H; H|#4|H; H|#5|H CH3-CH2-CH2-CH3 Метилпропан (Изобутан) HCC/C/H; H|#2`/H; H|#4H; H|#3|C|H; H/#-3H CH3-CH<|CH3>-CH3 Изобутан является изомером бутана. Обратите внимание, что брутто-формулы одинаковы. Но хотя они близки по свойствам, это разные вещества. Как видно, разнообразие углеводородов не перестаёт удивлять. Оказывается, они могут состоять не только из линейных цепочек, но могут образовывать разветвлённые структуры. И чем длиннее исходная цепочка, тем больше вариантов. Если у бутана возможны только два изомера, то у пентана их уже три: Вещество Упрощённая формула Брутто-формула Пентан CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 2-метилбутан (Изопентан) CH3-CH<`|CH3>-CH2-CH3 2,2-диметилпропан (Неопентан) CH3-C<`|CH3><|CH3>-CH3 А у вещества декан, имеющего формулу C10H22, существует 75 изомеров. Но мы не будем их здесь рассматривать. Обратите внимание, что научное название зависит от числа звеньев в прямой цепочке, а традиционное название просто учитывает количество атомов углерода в молекуле. Так получилось из-за того, что химики, которые только начинали исследовать углеводороды, первым делом научились определять состав веществ. То есть, сначала люди смогли получить лишь брутто-формулы. А из них невозможно понять, какова длина самой длинной цепочки. Поэтому названия учитывали общее число атомов углерода. Затем наука дошла до того, что люди смогли исследовать структуру молекул, придумали структурные формулы и переименовали уже известные вещества в соответствии с новыми знаниями. Но старые названия уже успели прижиться и существуют до сих пор. Бензол и скелетные формулы Думаю, что пора познакомиться ещё с одним весьма примечательным представителем углеводородов. Это вещество называется бензол. Вот его формулы: Развёрнутая формула Упрощённая формула Скелетная формула Брутто-формула H|CC|C<H>`//C<|H>`C<`/H>`||C<`H>//H H_(y.5)C\CH|CH`//C<_(y.5)H>`HC`||HC/ \|`//«||/ Чем же этот бензол так примечателен? Дело в том, что это шестиугольное колечко входит в состав огромного числа органических веществ. И вот на примере бензола предлагаю ознакомиться с ещё одним очень важным способом записи структурных формул — скелетными формулами. Как видно из таблицы, скелетная формула бензола представляет собой правильный шестиугольник без каких-либо букв, зато изображения химических связей выглядят одинаково. В общем, правила составления скелетных формул отличаются от уже знакомых нам развёрнутых всего двумя особенностями: Буквы C не пишутся. Предполагается, что каждый угол изображаемой геометрической фигуры содержит атом углерода. Буквы H тоже не пишутся. Если в углу сходятся меньше четырёх линий, то это означает, что все оставшиеся заняты водородом. Конечно, скелетные формулы не так просты, как развёрнутые, но зато их гораздо легче записывать. Поэтому в органической химии это самый популярный вид формул. И мне кажется, Вам тоже будет несложно к ним привыкнуть. Давайте посмотрим, как выглядят формулы других веществ, производных от бензола. Вещество Развёрнутая формула Скелетная формула Смешанный вариант Брутто-формула Нафталин C/C<`|H>\C</H>|C<H>`//C<|H>`C`|`\C<`|H>`/C<`H>||C<`/H>C/`/|H /\|`//«|`\`/||// C10H8 Толуол H|C|CC|C<H>`//C<|H>`C<`/H>`||C<`H>//H; H-#2-H |\|`//«||/ CH3|\|`//«||/ Кумол HCC/C/H; H|#2|H; H|#4|H; H|#3|CC|C<H>`//C<|H>`C<`/H>`||C<`H>//H </>|\|`//«||/ H3C</CH3>|\|`//«||/ Как видите, появился ещё и смешанный вариант. Опять какой-то новый вид формул? На этот раз уже нет. Просто иногда внутри одной формулы удобно сочетать различные способы. А вот скелетная формула углеводорода, который называется коронен. Причём, другие варианты здесь уже использовать нет смысла. |/`/|«/|`|«|/`/«||/\/\|||`/|`//«/`\`|/`/«||/ Впечатляет? Но это далеко не самая сложная структура для органического вещества. Так что теперь Вы понимаете, почему скелетные формулы так популярны…. Скелетные формулы существуют не только для циклических молекул. Понятно, что метан и этан имеют слишком мало узлов, поэтому для них не стоит пытаться использовать скелетные формулы. А вот какая-нибудь длинная молекула изображается довольно легко. Только не в виде прямой цепочки, а при помощи ломаной линии, ведь атомы углерода изображаются углами. Бутан Бутен Изобутан Гексан // /// |`|0/ /// Трехмерные изображения Иногда плоского изображения становится недостаточно. Поэтому для изображения трехмерных структурных формул используют особое изображение для химических связей: {A}<`wB><|wB>/wB Такая химическая связь означает, что А находится в плоскости листа, а В расположено ближе к наблюдателю. {A}<`dB><|dB>/dB а здесь В расположено от наблюдателя дальше, чем плоскость листа. То есть, А ближе, чем В В качестве примера посмотрим на формулы уже известных нам углеводородов: Метан Пропан Циклопропан Циклопентан H|C<`/H><_(A65,w+)H>_(A20,d+)H $slope(45)H|C<_(A170,d+)H><`/wH>C<`/wH><dH>/C<wH><_(A10,d+)H>`|H C_(x1.3)C_q3C_q3; H_(A-20,w-)#1_(A110,d+)H; H_(A-160,w-)#2_(A80,d+)H; H_(A65,w-)#3_(A-65,d+)H _(x1,y.5,W+)_(x1.5)_(x.5,y-1.5,W-)_(x-1.3,y1.1)_#1; $slope(60)H#1`/H; H#2`/H; H_(A140)#3H; H|#4-H; H#5_(y1.2)H Конечно, здесь потребуется включать воображение, чтобы представить трёхмерную структуру. Но зато теперь Вы не растеряетесь, увидев подобную запись. Формулы с окружностью Думаю, что стоит упомянуть ещё одну интересную конструкцию, которая нередко встречается при изображении циклических структур. Вот перед Вами несколько скелетных формул уже известного нам бензола: /\|`//«|| <-> /=`//`-`\ <-> //||`/`\`| <-> /|`/«|_o <-> H|</H>|<H>`/<|H>`<`/H>`|<`H>/_o Само собой, все они означают одно и то же. Но первые три отличаются только поворотом вокруг собственного центра. Тут нет ничего необычного, ведь молекулы не стоят на одном месте. А вот дальше мы видим кружок вместо трёх двойных связей. Причём, я намеренно изобразил все атомы водорода в последней формуле. Чтобы было хорошо видно, что каждый угол фактически лишился одной чёрточки. Их заменил кружок. Он как бы означает, что все двойные связи равномерно распределены внутри кольца. Формулы бензола, где используется чередование одинарных и двойных связей называются формулами Кекуле в честь немецкого учёного, который внёс значительный вклад в исследование структуры бензола. На самом деле, среди химиков нет единого мнения по поводу того, насколько правильно использование формул с кружком. Некоторые авторы категорически против. Но есть масса публикаций, где такая запись широко употребляется. Моя задача состоит в том, чтобы Вы узнали о существовании подобных формул и не удивлялись, увидев их. Вот пара примеров записи уже для уже знакомых нам веществ: Нафталин: /|`/«|_o«/|/_o Толуол: `/`-`/-_o-CH3 Знакомство с кислородом. Спирты До сих пор мы знакомились со структурными формулами углеводородов, которые состоят только из углерода и водорода. Думаю, пора познакомиться с новым элементом — кислородом. Он обозначается латинской буквой O. Его валентнсть равна 2. То есть, каждая буква O в структурных формулах должна снабжаться двумя палочками. Кислород — очень распространённый элемент на нашей планете. Он входит в состав большого количества органических и неорганических веществ. Но мы начнём знакомство с группы веществ, называемых спиртами: Вещество Развёрнутая структурная формула Упрощенная структурная формула Скелетная формула Брутто-формула Метанол (метиловый спирт) H-C-O-H; H|#C|H CH3-OH OH Этанол (этиловый спирт) H-C-C-O-H; H|#2|H; H|#3|H CH3-CH2-OH /OH 1-Пропанол (пропиловый спирт) H-C-C-C-O-H; H|#2|H; H|#3|H; H|#4|H CH3-CH2-CH2-OH //OH 2-Пропанол (изопропиловый спирт) H-C-C-C-H; H|#2|H; H|#3|O|H; H|#4|H CH3-CH<|OH>-CH3 <|OH>/ Не правда ли, что в этом есть что-то знакомое? Метан — метанол, этан — этанол, пропан — пропанол. Да, можно сказать, что спирт получается из углеводорода, если заменить один атом -H на группу -O-H (или -OH в упрощенных структурных формулах). Химики называют её: гидроксильная группа, по латинским названиям водорода и кислорода. А иногда она даже называется спиртовой группой. Все спирты можно описать в виде обобщённой формулы {R}-OH, где OH — гидроксильная группа, а R — остальная часть молекулы органического вещества. Конечно же стоит упомянуть, что этанол — это тот самый спирт, который входит в состав алкогольных напитков. Другие представленные здесь спирты по запаху, цвету и даже вкусу довольно похожи на этиловый спирт. Но они очень вредны для здоровья человка. Например, один глоток метанола может оставить человека слепым на всю жизнь. А если выпить больше, то это можеть оказаться фатальным для жизни. Ещё здесь из четырёх спиртов есть два изомера: 1-пропанол и 2-пропанол. У них одинаковые брутто-формулы, хотя вещества это разные. Их молекулы отличаются номером углеродного атома, к которому крепится группа OH. Возможно, Вы спросите, почему у 1-пропанола гидроксильная группа присоединена к третьему, а не к первому атому углерода? Тут следует вспомнить, что молекулы не находятся в одном положении. Они постоянно крутятся. И вполне могут развернуться как угодно: CH3-CH2-CH2-OH = $slope(45)CH3CH2CH2OH = CH3|CH2|CH2|OH = HO/CH2/CH2/CH3 = HO-CH2-CH2-CH3; @:Cx(n,t)#&n_(y.7,N0)$itemColor1(gray)»&t»@(2,1); @Cx(3,2); @Cx(4,3) Поэтому первый номер — тот, который ближе к гидроксильной группе. Все спирты, с которыми мы уже успели познакомиться, имеют в своём составе одну гидроксильную группу. Химики называют их одноатомные спирты. Но существуют вещества с различным количеством гидроксильных групп. Они соответственно называются двухатомные спирты, трёхатомные спирты и так далее… В качестве примера трёхатомного спирта можно привести достаточно известное вещество — глицерин: Развёрнутая формула Упрощённая формула Скелетная формула Брутто-формула H-C-C-C-H; $slope(45)H`/O|#2|H; H`/O|#3|H; H`/O|#4|H OH|CH2-CH<`|OH>-CH2`|OH HO/<`|OH>/OH Ну и чтобы завершить знакомство со спиртами, приведу ещё формулу другого известного вещества — холестерина. Далеко не все знают, что он является одноатомным спиртом! |`/`\`|<`|w>«/|<`/w$color(red)HO$color()>/`|0/`|/<`|w>|_q_q_q<-dH>:a_q|0<|dH>`/<`|wH>`|dH; #a_(A-72)<_(A-120,d+)>-/-/<->` Гидроксильную группу в нём я обозначил красным цветом. Карбоновые кислоты Любой винодел знает, что вино должно храниться без доступа воздуха. Иначе оно скиснет. Но химики знают причину — если к спирту присоединить ещё один атом кислорода, то получится кислота. Посмотрим на формулы кислот, которые получаются из уже знакомых нам спиртов: Вещество Развёрнутая структурная формула Упрощенная структурная формула Скелетная формула Брутто-формула Метановая кислота (муравьиная кислота) H/C`|O|OH HCOOH O//OH Этановая кислота (уксусная кислота) H-C-C<//O>O-H; H|#C|H CH3-COOH /`|O|OH Пропановая кислота (метилуксусная кислота) H-C-C-C<//O>O-H; H|#2|H; H|#3|H CH3-CH2-COOH /`|O|OH Бутановая кислота (масляная кислота) H-C-C-C-C<//O>O-H; H|#2|H; H|#3|H; H|#4|H CH3-CH2-CH2-COOH //`|O|OH Обобщённая формула {R}-C<//O>O-H {R}-COOH или {R}-CO2H {R}/`|O|OH Отличительной особенностью органических кислот является наличие карбоксильной группы (COOH), которая и придаёт таким веществам кислотные свойства. Все, кто пробовал уксус, знают что он весьма кислый. Причиной этого является наличие в нём уксусной кислоты. Обычно столовый уксус содержит от 3 до 15% уксусной кислоты, а остальное (по большей части) — вода. Употребление в пищу уксусной кислоты в неразбавленном виде представляет опасность для жизни. Карбоновые кислоты могут иметь несколько карбоксильных групп. В этом случае они называются: двухосновная, трёхосновная и т.д… В пищевых продуктах содержится немало других органических кислот. Вот только некоторые из них: Щавелевая кислота Молочная кислота Яблочная кислота Лимонная кислота HOOC-COOH H3C<|OH>/COOH HOOC/<`|OH>COOH HOOC/<`|COOH><|OH>/COOH двухосновная карбоновая кислота оксикарбоновая кислота Двухосновная оксикарбоновая кислота Трёхосновная оксикарбоновая кислота Название этих кислот соответствует тем пищевым продуктам, в которых они содержатся. Кстати, обратите внимание, что здесь встречаются кислоты, имеющие и гидроксильную группу, характерную для спиртов. Такие вещества называются оксикарбоновыми кислотами (или оксикислотами). Внизу под каждой из кислот подписано, уточняющее название той группы органических веществ, к которой она относится. Радикалы Радикалы — это ещё одно понятие, которое оказало влияние на химические формулы. Само слово наверняка всем известно, но в химии радикалы не имеют ничего общего с политиками, бунтовщиками и прочими гражданами с активной позицией. Здесь это всего лишь фрагменты молекул. И сейчас мы разберёмся, в чём их особенность и познакомимся с новым способом записи химических формул. Выше по тексту уже несколько раз упоминались обобщённые формулы: спирты — {R}-OH и карбоновые кислоты — {R}-COOH. Напомню, что -OH и -COOH — это функциональные группы. А вот R — это и есть радикал. Не зря он изображается в виде буквы R. Если выражаться более определённо, то одновалентным радикалом называется часть молекулы, лишённая одного атома водорода. Ну а если отнять два атома водорода, то получится двухвалентный радикал. Радикалы в химии получили собственные названия. Некоторые из них получили даже латинские обозначения, похожие на обозначения элементов. И кроме того, иногда в формулах радикалы могут быть указаны в сокращённом виде, больше напоминающем брутто-формулы. Всё это демонстрируется в следующей таблице. Название Структурная формула Обозначение Краткая формула Пример спирта Метил CH3-{} Me CH3 {Me}-OH CH3OH Этил CH3-CH2-{} Et C2H5 {Et}-OH C2H5OH Пропил CH3-CH2-CH2-{} Pr C3H7 {Pr}-OH C3H7OH Изопропил H3CCH(*`/H3C*)-{} i-Pr C3H7 {i-Pr}-OH (CH3)2CHOH Фенил `/`=`//-\-{} Ph C6H5 {Ph}-OH C6H5OH Думаю, что здесь всё понятно. Хочу только обратить внимание на колонку, где приводятся примеры спиртов. Некоторые радикалы записываются в виде, напоминающем брутто-формулу, но функциональная группа записывается отдельно. Например, CH3-CH2-OH превращается в C2H5OH. А для разветвлённых цепочек вроде изопропила применяются конструкции со скобочками. Существует ещё такое явление, как свободные радикалы. Это радикалы, которые по каким-то причинам отделились от функциональных групп. При этом нарушается одно из тех правил, с которых мы начали изучение формул: число химических связей уже не соответствует валентности одного из атомов. Ну или можно сказать, что одна из связей становится незакрытой с одного конца. Обычно свободные радикалы живут короткое время, ведь молекулы стремятся вернуться в стабильное состояние. Знакомство с азотом. Амины Предлагаю познакомиться с ещё одним элементом, который входит в состав многих органических соединений. Это азот. Он обозначается латинской буквой N и имеет валентность, равную трём. Посмотрим, какие вещества получаются, если к знакомым нам углеводородам присоединить азот: Вещество Развёрнутая структурная формула Упрощенная структурная формула Скелетная формула Брутто-формула Аминометан (метиламин) H-C-N</H>H;H|#C|H CH3-NH2 NH2 Аминоэтан (этиламин) H-C-C-N</H>H;H|#C|H;H|#3|H CH3-CH2-NH2 /NH2 Диметиламин H-C-N<`|H>-C-H; H|#-3|H; H|#2|H $L(1.3)H/N<_(A80,w+)CH3>dCH3 /N<_(y-.5)H> Аминобензол (Анилин) HN</H>|C\C</H>|C<H>`//C<|H>`C<`/H>`||C<`H>/ NH2|C\CH|CH`//C<_(y.5)H>`HC`||HC/ NH2||`/«|/_o Триэтиламин $slope(45)H-C-C/NC-C-H;H|#2|H; H|#3|H; H|#5|H;H|#6|H; #N`|C<`-H><-H>`|C<`-H><-H>`|H CH3-CH2-N<`|CH2-CH3>-CH2-CH3 /N<`|/>| Как Вы уже наверное догадались из названий, все эти вещества объединяются под общим названием амины. Функциональная группа {}-NH2 называется аминогруппой. Вот несколько обобщающих формул аминов: По числу замещённых атомов водорода По числу аминогрупп в молекуле Первичный амин {R}-NH2 Моноамин {R}-NH2 Вторичный амин {R1}-NH-{R2} Диамин H2N-{R}-NH2 Третичный амин {R1}-N<`|{R3}>-{R2} Триамин H2N-{R}(*`|NH2*)-NH2 В общем, никаких особых новшеств здесь нет. Если эти формулы Вам понятны, то можете смело заниматься дальнейшим изучением органической химии, используя какой-нибудь учебник или интернет. Но мне бы хотелось ещё рассказать о формулах в неорганической химии. Вы убедитесь, как их легко будет понять после изучения строения органических молекул. Рациональные формулы Не следует делать вывод о том, что неорганическая химия проще, чем органическая. Конечно, неорганические молекулы обычно выглядят гораздо проще, потому что они не склонны к образованию таких сложных структур, как углеводороды. Но зато приходится изучать более сотни элементов, входящих в состав таблицы Менделеева. А элементы эти имеют склонность объединяться по химическим свойствам, но с многочисленными исключениями. Так вот, ничего этого я рассказывать не буду. Тема моей статьи — химические формулы. А с ними как раз всё относительно просто. Наиболее часто в неорганической химии употребляются рациональные формулы. И мы сейчас разберёмся, чем же они отличаются от уже знакомых нам. Для начала, познакомимся с ещё одним элементом — кальцием. Это тоже весьма распространённый элемент. Обозначается он Ca и имеет валентность, равную двум. Посмотрим, какие соединения он образует с известными нам углеродом, кислородом и водородом. Вещество Структурная формула Рациональная формула Брутто-формула Оксид кальция Ca=O CaO Гидроксид кальция H-O-Ca-O-H Ca(OH)2 Карбонат кальция $slope(45)Ca`/OC|O`|/O`#1 CaCO3 Гидрокарбонат кальция HO/`|O|O/CaO/`|O|OH Ca(HCO3)2 Угольная кислота H|OC|O`|/O`|H H2CO3 При первом взгляде можно заметить, что рациональная формула является чем то средним между структурной и брутто-формулой. Но пока что не очень понятно, как они получаются. Чтобы понять смысл этих формул, нужно рассмотреть химические реакции, в которых участвуют вещества. Кальций в чистом виде — это мягкий белый металл. В природе он не встречается. Но его вполне возможно купить в магазине химреактивов. Он обычно хранится в специальных баночках без доступа воздуха. Потому что на воздухе он вступает в реакцию с кислородом. Собственно, поэтому он и не встречается в природе. Итак, реакция кальция с кислородом: 2Ca + O2 -> 2CaO Цифра 2 перед формулой вещества означает, что в реакции участвуют 2 молекулы. Из кальция и кислорода получается оксид кальция. Это вещество тоже не встречается в природе потому что он вступает в реакцию с водой: CaO + H2O -> Ca(OH2) Получается гидроксид кальция. Если присмотреться к его структурной формуле (в предыдущей таблице), то видно, что она образована одним атомом кальция и двумя гидроксильными группами, с которыми мы уже знакомы. Таковы законы химии: если гидроксильная группа присоединяется к органическому веществу, получается спирт, а если к металлу — то гидроксид. Но и гидроксид кальция не встречается в природе из-за наличия в воздухе углекислого газа. Думаю, что все слыхали про этот газ. Он образуется при дыхании людей и животных, сгорании угля и нефтепродуктов, при пожарах и извержениях вулканов. Поэтому он всегда присутствует в воздухе. Но ещё он довольно хорошо растворяется в воде, образуя угольную кислоту: CO2 + H2O <=> H2CO3 Знак <=> говорит о том, что реакция может проходить в обе стороны при одинаковых условиях. Таким образом, гидроксид кальция, растворённый в воде, вступает в реакцию с угольной кислотой и превращается в малорастворимый карбонат кальция: Ca(OH)2 + H2CO3 -> CaCO3″|v» + 2H2O Стрелка вниз означает, что в результате реакции вещество выпадает в осадок. При дальнейшем контакте карбоната кальция с углекислым газом в присутствии воды происходит обратимая реакция образования кислой соли — гидрокарбоната кальция, который хорошо растворим в воде CaCO3 + CO2 + H2O <=> Ca(HCO3)2 Этот процесс влияет на жесткость воды. При повышении температуры гидрокарбонат обратно превращается в карбонат. Поэтому в регионах с жесткой водой в чайниках образуется накипь. Из карбоната кальция в значительной степени состоят мел, известняк, мрамор, туф и многие другие минералы. Так же он входит в состав кораллов, раковин моллюсков, костей животных и т.д… Но если карбонат кальция раскалить на очень сильном огне, то он превратится в оксид кальция и углекислый газ. Этот небольшой рассказ о круговороте кальция в природе должен пояснить, для чего нужны рациональные формулы. Так вот, рациональные формулы записываются так, чтобы были видны функциональные группы. В нашем случае это: OH Гидроксильная группа CO3 Карбонат — соль угольной кислоты HCO3 Гидрокарбонат — кислая соль угольной кислоты Кроме того, отдельные элементы — Ca, H, O(в оксидах) — тоже являются самостоятельными группами. Ионы Думаю, что пора знакомиться с ионами. Это слово наверняка всем знакомо. А после изучения функциональных групп, нам ничего не стоит разобраться, что же представляют собой эти ионы. В общем, природа химических связей обычно заключается в том, что одни элементы отдают электроны, а другие их получают. Электроны — это частицы с отрицательным зарядом. Элемент с полным набором электронов имеет нулевой заряд. Если он отдал электрон, то его заряд становится положительным, а если принял — то отрицатеньным. Например, водород имеет всего один электрон, который он достаточно легко отдаёт, превращаясь в положительный ион. Для этого существует специальная запись в химических формулах: H2O <=> H^+ + OH^- Здесь мы видим, что в результате электролитической диссоциации вода распадается на положительно заряженный ион водорода и отрицательно заряженную группу OH. Ион OH^- называется гидроксид-ион. Не следует его путать с гидроксильной группой, которая является не ионом, а частью какой-то молекулы. Знак + или — в верхнем правом углу демонстрирует заряд иона. А вот угольная кислота никогда не существует в виде самостоятельного вещества. Фактически, она является смесью ионов водорода и карбонат-ионов (или гидрокарбонат-ионов): H2CO3 = H^+ + HCO3^- <=> 2H^+ + CO3^2- Карбонат-ион имеет заряд 2-. Это означает, что к нему присоединились два электрона. Отрицательно заряженные ионы называются анионы. Обычно к ним относятся кислотные остатки. Положительно заряженные ионы — катионы. Чаще всего это водород и металлы. И вот здесь наверное можно полностью понять смысл рациональных формул. В них сначала записывается катион, а за ним — анион. Даже если формула не содержит никаких зарядов. Вы наверное уже догадываетесь, что ионы можно описывать не только рациональными формулами. Вот скелетная формула гидрокарбонат-аниона: O^-|O`|/OH Здесь заряд указан непосредственно возле атома кислорода, который получил лишний электрон, и поэтому лишился одной чёрточки. Проще говоря, каждый лишний электрон уменьшает количество химических связей, изображаемых в структурной формуле. С другой стороны, если у какого-то узла структурной формулы стоит знак +, то у него появляется дополнительная палочка. Как всегда, подобный факт нужно продемонстрировать на примере. Но среди знакомых нам веществ не встречается ни одного катиона, который состоял бы из нескольких атомов. А таким веществом является аммиак. Его водный раствор часто называется нашатырный спирт и входит в состав любой аптечки. Аммиак является соединением водорода и азота и имеет рациональную формулу NH3. Рассмотрим химическую реакцию, которая происходит при растворении аммиака в воде: NH3 + H2O <=> NH4^+ + OH^- То же самое, но с использованием структурных формул: H|N<`/H>H + H-O-H <=> H|N^+<_(A75,w+)H><_(A15,d+)H>`/H + O`^-# -H В правой части мы видим два иона. Они образовались в результате того, что один атом водорода переместился из молекулы воды в молекулу аммиака. Но этот атом переместился без своего электрона. Анион нам уже знаком — это гидроксид-ион. А катион называется аммоний. Он проявляет свойства, схожие с металлами. Например, он может объединиться с кислотным остатком. Вещество, образованное соединением аммония с карбонат-анионом называется карбонат аммония: (NH4)2CO3. Вот уравнение реакции взаимодействия аммония с карбонат-анионом, записанное в виде структурных формул: 2H|N^+<`/H><_(A75,w+)H>_(A15,d+)H + O^-C|O`|/O^- <=> H|N^+<`/H><_(A75,w+)H>_(A15,d+)H`|0O^-C|O`|/O^-|0H_(A-15,d-)N^+<_(A105,w+)H><H>`|H Но в таком виде уравнение реакции дано в демонстрационных целях. Обычно уравнения используют рациональные формулы: 2NH4^+ + CO3^2- <=> (NH4)2CO3 Система Хилла Итак, можно считать, что мы уже изучили структурные и рациональные формулы. Но есть ещё один вопрос, который стоит рассмотреть подробнее. Чем же всё-таки отличаются брутто-формулы от рациональных? Мы знаем почему рациональная формула угольной кислоты записывается H2CO3, а не как-то иначе. (Сначала идут два катиона водорода, а за ними карбонат-анион). Но почему брутто-формула записывается CH2O3 ? В принципе, рациональная формула угольной кислоты вполне может считаться истинной формулой, ведь в ней нет повторяющихся элементов. В отличие от NH4OH или Ca(OH)2. Но к брутто-формулам очень часто применяется дополнительное правило, определяющее порядок следования элементов. Правило довольно простое: сначала ставится углерод, затем водород, а дальше остальные элементы в алфавитном порядке. Вот и выходит CH2O3 — углерод, водород, кислород. Это называется системой Хилла. Она используется практически во всех химических справочниках. И в этой статье тоже. Вместо заключения мне хотелось бы рассказать о системе CharChem. Она разработана для того, чтобы все те формулы, которые мы тут обсуждали, можно было легко вставить в текст. Собственно, все формулы в этой статье нарисованы при помощи CharChem. Зачем вообще нужна какая-то система для вывода формул? Всё дело в том, что стандартный способ отображения информации в интернет-браузерах — это язык гипертекстовой разметки (HTML). Он ориентирован на обработку текстовой информации. Рациональные и брутто-формулы вполне можно изобразить при помощи текста. Даже некоторые упрощённые структурные формулы тоже могут быть записаны текстом, например спирт CH3-CH2-OH. Хотя для этого пришлось бы в HTML использовать такую запись: CH<sub>3</sub>-CH<sub>2</sub>-OH. Это конечно создаёт некоторые трудности, но с ними можно смириться. Но как изобразить структурную формулу? В принципе, можно использовать моноширинный шрифт: H H | | H-C-C-O-H | | H H Выглядит конечно не очень красиво, но тоже осуществимо. Настоящая проблема возникает при попытке изобразить бензольные кольца и при использовании скелетных формул. Здесь не остаётся иного пути, кроме подключения растрового изображения. Растры хранятся в отдельных файлах. Браузеры могут подключать изображения в формате gif, png или jpeg. Для создания таких файлов требуется графический редактор. Например, Фотошоп. Но я более 10 лет знаком с Фотошопом и могу сказать точно, что он очень плохо подходит для изображения химических формул. Гораздо лучше с этой задачей справляются молекулярные редакторы. Но при большом количестве формул, каждая из которых хранится в отдельном файле, довольно легко в них запутаться. Например, число формул в этой статье равно . Из них выведены виде графических изображений (остальные при помощи средств HTML). Система CharChem позволяет хранить все формулы прямо в HTML-документе в текстовом виде. По-моему, это очень удобно. Кроме того, брутто-формулы в этой статье вычисляются автоматически. Потому что CharChem работает в два этапа: сначала текстовое описание преобразуется в информационную структуру (граф), а затем с этой структурой можно выполнять различные действия. Среди них можно отметить следующие функции: вычисление молекулярной массы, преобразование в брутто-формулу, проверка на возможность вывода в виде текста, графическая и текстовая отрисовка. Таким образом, для подготовки этой статьи я пользовался только текстовым редактором. Причём, мне не пришлось думать, какая из формул будет графической, а какая — текстовой. Вот несколько примеров, раскрывающих секрет подготовки текста статьи: Текстовое описание CharChem Выводимый результат Сгенерированная брутто-формула (NH4)2CO3 (NH4)2CO3 H-C-C-O-H; H|#2|H; H|#3|H H-C-C-O-H; H|#2|H; H|#3|H CH3|\|`//«||/ CH3|\|`//«||/ Описания из левого столбца автоматически превращаются в формулы во втором столбце. В первой строчке описание рациональной формулы очень похоже на отображаемый результат. Разница только в том, что числовые коэффициенты выводятся подстрочником. Во второй строке развёрнутая формула задана в виде трёх отдельных цепочек, разделённых символом ; Я думаю, нетрудно заметить, что текстовое описание во многом напоминает те действия, которые потребовались бы для изображения формулы карандашом на бумаге. В третьей строке демонстрируется использование наклонных линий при помощи символов и /. Значок ` (обратный апостроф) означает, что линия проводится справа налево (или снизу вверх). Здесь есть гораздо более подробная документация по использованию системы CharChem. На этом разрешите закончить статью и пожелать удачи в изучении химии. Краткий толковый словарь использованных в статье терминов Углеводороды Вещества, состоящие из углерода и водорода. Отличаются друг от друга структурой молекул. Структурные формулы схематические изображения молекул, где атомы обозначаются латинскими буквами, а химические связи — чёрточками. Структурные формулы бывают развёрнутыми, упрощёнными и скелетными. Развёрнутые структурные формулы — такие структурные формулы, где каждый атом представлен в виде отдельного узла. Упрощённые структурные формулы — такие структурные формулы, где атомы водорода записаны рядом с тем элементом, с которым они связаны. А если к одному атому крепится больше одного водорода, то количество записывается в виде числа. Так же можно сказать, что в качестве узлов в упрощённых формулах выступают группы. Скелетные формулы — структурные формулы, где атомы углерода изображаются в виде пустых узлов. Число атомов водорода, связанных с каждым атомом углерода равно 4 минус число связей, которые сходятся в узле. Для узлов, образованных не углеродом, применяются правила упрощённых формул. Брутто-формула (она же истинная формула) — список всех химических элементов, которые входят в состав молекулы, с указанием количества атомов в виде числа (если атом один, то единица не пишется) Система Хилла — правило, определяющее порядок следования атомов в брутто-формуле: первым ставится углерод, затем водород, а далее остальные элементы в алфавитном порядке. Это а система используется очень часто. И все брутто-формулы в этой статье записаны по системе Хилла. Функциональные группы Устойчивые сочетания атомов, которые сохраняются в процессе химических реакций. Часто функциональные группы имеют собственные названия, влияют на химические свойства и научное название вещества