Хімія. Рівень стандарту. 11 клас. Попель

§ 21. Кислоти

Матеріал параграфа допоможе вам:

  • пригадати склад і назви оксигеновмісних кислот;
  • розширити свої знання про хімічні властивості сульфатної та нітратної кислот;
  • зрозуміти причини виникнення кислотних опадів.

Склад і назви сполук. До класу кислот належить багато сполук — органічних (наприклад, карбонові кислоти R—СООН, амінокислоти R—CH(NH2)—COOH) інеорганічних (оксигеновмісні та безоксигенові кислоти). Залежно від кількості атомів Гідрогену в молекулі кислоти, які під час хімічних реакцій можуть заміщуватися на атоми (точніше — йони) металічного елемента, розрізняють одно- і багатооснoвні кислоти.

Укажіть основність кожної з кислот — СН3СООН, H2S, HNO3, Н3РО4.

Цікаво знати

Для таких кислот, як НСlО2, НСlО3, відповідних оксидів (Сl2О3, Сl2О5) не добуто.

Кислоти

HnE

HnEOm

R—СООН

При розчиненні у воді галогеноводнів, сірководню утворюються безоксигенові кислоти (§ 19); їх загальна формула — НnЕ.

Оксигеновмісні кислоти є гідратами кислотних оксидів. Загальна формула кислот цього типу — Нnm. Формули деяких оксигеновмісних кислот наведено в таблиці 8.

Таблиця 8

Формули і назви деяких оксигеновмісних кислот

Періоди

Групи

IV

V

VI

2

С

Н2CO3

карбонатна

N

HNO3

нітратна

3

Si

H2SiO3

метасилікатна

Р

Н3РО4

ортофосфатна

S

H2SO4

сульфатна

Хімічні назви кислот утворені з двох слів. Другим є слово «кислота», а перше складається з кореня назви елемента, від якого походить кислота, і суфікса -ид або -ід (для безоксигенової кислоти), -aт (якщо ступінь окиснення елемента в кислоті є для нього максимально можливим), -ит або -іт:

Якщо у двох кислотах елемент має один і той самий ступінь окиснення, то перше слово назви кислоти містить ще й префікс — орто- або мета-:

Н3РО4 — ортофосфатна кислота;

НРО3 — метафосфатна кислота.

Назвіть кислоту, в якій Нітроген виявляє ступінь окиснення +3, і запишіть її формулу.

Найважливіші кислоти також мають тривіальні назви; їх найчастіше використовують у промисловості, техніці, економіці, торгівлі, побуті. Кислоту H2SO4 називають сірчаною, HNO3 — азотною, Н3РО4 — фосфорною, СН3СООН — оцтовою.

Систематичні назви органічних кислот походять від назв вуглеводнів (метанова кислота, етанова кислота).

Будова і фізичні властивості. Усі кислоти складаються з молекул. Сульфатна, нітратна, оцтова кислоти — рідини, ортофосфатна, силікатна й амінооцтова — тверді речовини. Карбонатну, сульфітну, нітритну кислоти не добуто; вони розкладаються вже за звичайних умов:

H2SO3 = SO2 + Н2О.

Для кислот характерні невисокі температури кипіння. Неорганічні кислоти, а також карбонові кислоти з невеликими відносними молекулярними масами змішуються з водою в будь-яких співвідношеннях з утворенням розчинів (виняток — нерозчинна кислота H2SiO3). Вищі карбонові кислоти у воді не розчиняються.

Хімічні властивості. Кислоти мають спільні хімічні властивості. Вони дисоціюють у водному розчині з утворенням катіонів Гідрогену, взаємодіють з металами, основними та амфотерними оксидами, основами, амфотерними гідроксидами, солями.

За здатністю до електролітичної дисоціації кислоти поділяють на сильні, середньої сили та слабкі (форзац II). Сильними кислотами є, зокрема, нітратна і сульфатна; більшість їхніх молекул розпадається на йони:

HNO3 ⇄ H+ + NO-3;

H2SO4 ⇄ H+ + HSO-4;

HSO-4 ⇄ H+ + SO2-4.

Дисоціація сульфатної кислоти за першою стадією в розбавленому розчині відбувається майже повністю, а за другою — частково, однак у йонно-молекулярних рівняннях її за традицією записують сукупністю йонів

Цікаво знати

Нітратну кислоту добували і використовували ще алхіміки у XVII ст.

Реакції з металами. Більшість кислот взаємодіє з металами з утворенням солей і виділенням водню. Ви знаєте, що «витісняти» водень із кислот здатні метали, розміщені в ряду активності ліворуч від нього.

Сульфатна і нітратна кислоти взаємодіють майже з усіма металами. Склад продуктів відповідних реакцій залежить від хімічної активності металу і концентрації кислоти в розчині.

Оскільки метал завжди виступає відновником, то кислота виконує роль окисника й відновлюється. У молекулі можуть відновитися (знизити ступінь окиснення) два елементи — Гідроген і Сульфур. Якщо з металом взаємодіє розбавлена сульфатна кислота, то відновлюється Гідроген. Продукти цієї реакції — сульфат металічного елемента і водень:

Zn + H2SO4 (розб.) = ZnSO4 + H2↑.

Із розбавленою сульфатною кислотою не реагують мідь (мал. 53, а), ртуть, золото, платина, інші хімічно пасивні метали.

Якщо реагентом є концентрована сульфатна кислота, то відновлюється Сульфур. Із концентрованою кислотою реагують також метали, які розміщені в ряду активності після водню (крім золота і платини). Чим активніший метал, тим сильніше відновлюється Сульфур. Малоактивні метали відновлюють кислоту (мал. 53, б), а дуже активні — до

Cu + H2SO4(конц.) → CuSO4 + SO2↑ + Н2О;

Mg + H2SO4(конц.) → MgSO4 + H2S↑ + H2O.

Складіть схеми окиснення, відновлення й доберіть коефіцієнти методом електронного балансу.

Мал. 53. Відношення міді до розбавленої (а) і концентрованої сульфатної кислоти (б)

У разі участі в реакції металу середньої активності утворюється сірка або одночасно відбуваються дві реакції — з утворенням H2S і S чи S та SO2.

Нітратна кислота взаємодіє майже з усіма металами, за винятком найпасивніших — золота, платини. Під час цих реакцій водень не виділяється. Причина полягає в тому, що атом Нітрогену в ступені окиснення +5, який міститься в молекулі HNO3, виявляє більшу здатність приєднувати електрони, ніж атом Гідрогену в ступені окиснення +1. Отже, окисником у нітратній кислоті є Нітроген, а не Гідроген.

Pb + 4HNO3 (конц.) = Pb(NO3)2+ 2NO2↑ + 2Н2О.

Мал. 54. Взаємодія концентрованої нітратної кислоти зі свинцем

1 Амоніак не утворюється через реакцію NH3 + HNO3 = NH4NO3.

У разі використання розбавленого розчину кислоти її відновлення відбувається як мінімум до нітроген(ІІ) оксиду (HNO3 → NO). Чим активніший метал і чим менша концентрація кислоти в розчині, тим істотніше знижується ступінь окиснення Нітрогену2. Проілюструємо два крайні випадки реакціями з міддю (пасивний метал) і магнієм (активний метал):

Cu + HNO3 (помірно розб.) → Cu(NO3)2 + NO↑ + Н2О;

Mg + HNO3 (дуже розб.) → Mg(NO3)2+ NH4NO3 + Н2О.

• Перетворіть схеми реакцій на хімічні рівняння.

2 Часто утворюються суміші продуктів відновлення Нітрогену.

Реакції зі сполуками основної та амфотерної природи. Сильні неорганічні кислоти (хлоридна, сульфатна, нітратна) взаємодіють з основними оксидами і основами, амфотерними оксидами і гідроксидами. Такі хімічні перетворення вам добре відомі.

Складіть рівняння реакцій сульфатної кислоти з купрум(ІІ) оксидом, алюміній гідроксидом.

Кислотні опади. Трапляються випадки, коли дощова вода містить домішки кислот. Молекули кислот з’являються в атмосфері внаслідок хімічних реакцій.

За високої температури, яка досягається при згорянні палива і пального, починають взаємодіяти головні компоненти повітря — азот і кисень:

Нітроген(ІІ) оксид, що утворюється, швидко реагує з киснем за звичайних умов:

2NO + О2 = 2NO2.

Сульфур(ІV) оксид потрапляє в повітря при спалюванні вугілля1, а також із газовими викидами під час випалювання сульфідних руд:

1 Сполуки Сульфуру є домішками у вугіллі.

Оксиди NO2 і SO2 взаємодіють з водою, крапельки якої наявні в атмосфері. Продуктами цих реакцій є нітратна, нітритна і сульфітна кислоти, а остання ще й окиснюється киснем у сульфатну кислоту:

2H2SO3 + О2 = 2H2SO4.

Невелика кількість цих кислот разом із дощем і снігом потрапляє на земну поверхню.

Кислотні опади завдають значної шкоди довкіллю. Вони зменшують урожаї сільськогосподарських культур, спричиняють різні захворювання у тварин і людей, руйнування будівель і пам’ятників із мармуру (мал. 55) та вапняку, корозію металевих виробів.

Мал. 55. Наслідки кислотних опадів

Запобігти утворенню оксидів Нітрогену можна, знизивши температуру згоряння палива і пального. З метою зменшення викидів сірчистого газу в атмосферу теплоелектростанціями перевагу віддають паливу з меншим вмістом Сульфуру, а відпрацьовані гази очищають від сульфур(ІV) оксиду пропусканням крізь водну суспензію кальцій гідроксиду чи розпилюють у них негашене вапно.

ВИСНОВКИ

Оксигеновмісні кислоти є гідратами кислотних оксидів. Вони складаються з молекул.

Найважливіші оксигеновмісні кислоти — сульфатна H2SO4 і нітратна HNO3. Це сильні кислоти, які взаємодіють з металами, сполуками основної та амфотерної природи, солями.

Під час реакцій розбавленої сульфатної кислоти з металами виділяється водень, а концентрована кислота взаємодіє з ними з утворенням сульфур(ІV) оксиду, сірки або сірководню. Внаслідок реакцій нітратної кислоти з металами водень не виділяється, а утворюються оксиди Нітрогену, азот або амоній нітрат. Відновлення Сульфуру та Нітрогену залежить від активності металу, а в разі нітратної кислоти — ще й від її концентрації в розчині.

Утворення в атмосфері кислот унаслідок взаємодії оксидів Сульфуру і Нітрогену з водою спричиняє кислотні опади, які завдають шкоди довкіллю.

  • 155. Укажіть правильну відповідь.

Нітратній кислоті відповідає оксид:

а) NO;

б) N2O3;

в) N2O5;

г) N2O.

  • 156. Яких частинок більше в розбавленому розчині сульфатної кислоти:

а) молекул кислоти чи йонів HSO-4;

б) йонів SO2-4 чи йонів H+?

  • 157. Допишіть схеми реакцій і складіть хімічні рівняння:

a) H2SO4+ МnО →

H2SO4+ Fe(OH)3

б) H2SO4+ Pb(NO3)2

H2SO4 + NaF →

  • 158. Складіть рівняння тих реакцій, які можливі:

a) Ag + H2SO4(розб.) →

Ag + H2SO4(конц.) →

б) Mg + H2SO4(розб.) →

Ζn + H2SO4(конц.) →

  • 159. Знайдіть відповідність між елементом і його функцією в реакції нітратної кислоти з металом:

1) Гідроген;

2) Нітроген;

3) Оксиген;

4) металічний елемент;

а) окисник;

б) відновник;

в) не змінює ступеня окиснення.

  • 160. Допишіть схеми реакцій і складіть хімічні рівняння:

a) HNO3 + Li2O →

HNO3 + Sr(OH)2

б)HNO3 + Fe(OH)3

HNO3 + ZnCO3

  • 161. Складіть рівняння реакцій між:

а) концентрованою нітратною кислотою і сріблом;

б) дуже розбавленою нітратною кислотою і кальцієм.

  • 162. Чому, на ваш погляд, до сполук, які спричиняють утворення кислотних опадів, не зараховують кислотний оксид СО2?
  • 163. Співвідношення мас сульфатної кислоти і води в деякому розчині становить 1 : 7. Обчисліть масову частку кислоти в розчині. (Усно.)
  • 164. У яку масу води потрібно додати 60 г концентрованої сульфатної кислоти з масовою часткою H2SO4 98 %, щоб утворився розчин із масовою часткою H2SO4 20 %?
  • 165. У результаті взаємодії 5,3 г натрій карбонату з достатньою кількістю нітратної кислоти добуто 8,1 г натрій нітрату. Визначте відносний вихід цього продукту реакції.