Кислоты: протоны в подарок (Н.Г. Антонюк)
advertisement
ÕÈÌÈß «Слово «кислота» – это функция вещества, а не этикетка с названием», – говорил российский химик Иван Владимирович Тананаев (1904-1993) в 1965 г. Этот термин скорее указывает не на формулу вещества, а на его «способности». Первой кислотой, с которой познакомился человек ещё в начале нашей эры, была уксусная кислота, получаемая из перебродившего вина. Слово «уксус» происходит от греческого «оксос» – кислый. Только в 1815 г. английский химик Гемфри Дэви (1778-1829) и почти одновременно с ним французский химик Пьер Дюлонг (1785-1838) высказали мысль, что носителем «кислотных» свойств является атом водорода, входящий в состав молекулы кислоты. Шведский ученый Сванте Аррениус (18591927), автор теории электролитической диссоциации, в 1887 г. определил кислоты как вещества, которые в водном растворе распадаются с образованием катиона водорода Н+. Полвека спустя всеобщее признание получила протонная теория кислот и оснований, разработанная датским химиком Йоханнесом Бренстедом (1879-1947) и его английским коллегой Томасом Лоури (1874-1936), согласно которой частицы кислот, попадая в водный раствор, отщепляют и передают молекулам воды протон (подвергаются протолизу и служат донорами протонов). 1.1. Вот так кислота! Соляная кислота, как известно, имеет формулу НСl – такую же, как у хлороводорода. Жидкий хлороводород, не содержащий влаги, является молекулярным соединением и не содержит ионов Н+ и Сl–. Он не взаимодействует с цинком Zn и гидроксидом калия КОН, его можно хранить в железном сосуде. Растворяясь в воде, НСl вдруг превращается в сильную кислоту, активно реагирующую с цинком, железом и другими металлами, с гидроксидами (например, КОН и NaOH), оксидами металлов и аммиаком. В чем загадка столь резкого изменения свойств НСl? 1.2. «Кислая влажность» В начале ХVIII в. уксусную кислоту СН3СООН называли «кислой влажностью» или «древесной кислотой»: её получали при сухой перегонке древесины лиственных пород. После удаления смолы и дегтя, оседающих на дне приёмника продуктов перегонки, сливали верхний слой тёмно-бурого водного раствора, содержащего, помимо уксусной кислоты, метанол СН3ОН, ацетон (СН3)2СО и другие вещества. К слитому раствору добавляли мел и упаривали смесь до получения сухого остатка. Этот остаток обрабатывали серной кислотой и нагревали, а выделяющиеся пары охлаждали. При этом конденсировалась уксусная кислота. Как вы думаете, для чего к смеси жидких продуктов перегонки добавляли мел? 1.3. «Лунная кислота» В 1827 г. немецкий химик Эйльхард Мичерлих (1794-1863) проводил очередной опыт, получая соединения элемента селена. Мичерлих добавил к водному раствору селенистой кислоты Н2SeO3 пероксид водорода Н2О2, и после упаривания и охлаждения смеси получил бесцветные кристаллы неизвестного вещества. Эти кристаллы оказались сравнительно легкоплавкими. Когда в расплав нового вещества случайно уронили тлеющий уголек, он вспыхнул ярким пламенем и быстро сгорел. Затем неожиданно дал течь лабораторный тигель из золота, в котором находился расплав. Мичерлих прекратил опыт, растворил в воде то, что осталось в тигле. Проведя химический анализ раствора, он обнаружил соединение, содержащее селен и золото, а также … селенистую кислоту. Значит, реакция Н2SeO3 с пероксидом водорода прошла не полностью? А каким образом в растворе оказалось золото? 1.4. Странности поведения Всем химикам известно, что и азотная кислота HNO3, и хлорная НСlО4 – сильные кислоты. КИСЛОТЫ: ПРОТОНЫ В ПОДАРОК 26 Интересно, будут ли эти кислоты «суммировать» свою силу, если взять их смесь? 1.5. Сильная, но … слабая Взаимодействие соли слабой кислоты с более сильной кислотой должно происходить тем быстрее и полнее, чем большую концентрацию ионов оксония Н3О+ создаёт сильная кислота в растворе. Но почему же тогда реакция слабой уксусной кислоты СН3СООН с карбонатом кальция СаСО3 происходит быстрее, чем в случае действия на СаСО3 более сильной серной кислоты Н2SО4? 1.6. Выбери кислоту! Как получить газообразный йодоводород из йодида калия? Надо подействовать на твёрдую соль КI кислотой при нагревании. Какую же выбрать кислоту? Серёжа взял для опыта концентрированную серную кислоту Н2SO4, а Федя – концентрированную ортофосфорную кислоту Н3РО4. Чей выбор удачнее? 1.7. «Дух из солей» В сочинениях монаха-алхимика Василия Валентина (ХV в.), которого многие историки химии считают мифической фигурой, было рекомендовано получать «дух из солей» – «спиритус салис» – прокаливанием смеси каменной соли и железного купороса. При этом отгонялась жидкость, которая поражала воображение алхимиков: она дымила на воздухе, вызывала кашель, разъедала ткань, бумагу, металл … О каком веществе идёт речь? Что за реакция использовалась при получении «духа из солей»? 1.8. «Сахарная кислота» В 1799 г. немецкий сенатор, аптекарь и химик Иоганн Христиан Виглеб подействовал известковой водой на соки щавеля и кислицы, содержащие «кисличную кислоту», и заметил, что из раствора выпадает белый осадок. Однако состав осадка Виглебу установить не удалось. Через пять лет шведский аптекарь и химик Карл Вильгельм Шееле (1742-1786) решил посмотреть, что получится, если тростниковый сахар обработать концентрированной азотной кислотой. Он обнаружил, что при этом выделяется красно-бурый газ, и образуется прозрачный раствор, который окрашивает лакмусовую бумагу в красный цвет. Когда Шееле добавил к этому раствору известковую воду, получился белый осадок, очень похожий по свойствам на осадок, выделенный Виглебом. Какое вещество обнаружили Виглеб и Шееле? ÑÒÐÀÍÀ ÇÍÀÍÈÉ 1.9. Без имени … Вы открыли склянку с вязкой бесцветной жидкостью и увидели выделяющийся из неё белый дым. Когда в склянку опустили лучинку, то её конец, побывавший в жидкости, обуглился. Надпись на этикетке была почти стёрта. Сохранились только две первые буквы – «Ол …». Какое вещество находится в склянке? 1.10. Уловки азотной кислоты В большинстве книг по неорганической химии написано, что взаимодействие разбавленной (менее 2 моль/л) азотной кислоты HNO3 с активными металлами, такими как магний, алюминий, цинк, сопровождается выделением азота N2, монооксида диазота NO2 и даже образованием в растворе катионов аммония NН4+. Если студент на экзамене или школьник в контрольной работе напишут уравнения реакций этих металлов с разбавленной азотной кислотой и в качестве одного из продуктов укажут водород, то наверняка оценка будет неудовлетворительной. Однако в правилах техники безопасности для цехов химических предприятий, где используется разбавленная азотная кислота, говорится о «повышенной пожароопасности в связи с выделением горючего газа». Значит, в реакциях металлов с разбавленной азотной кислотой всё-таки может выделяться водород? 1.11. Как правильно? Химику, окончившему институт много лет назад, задали вопрос: «Почему в азотной кислоте степень окисления азота равна +V, а валентность – четырём?» «Быть этого не может, это ошибка! Валентность азота равна пяти!» – подумал он, но промолчал. И в самом деле, какова валентность азота в азотной кислоте? 1.12. Простая задача с трудным решением Немецкий химик и аптекарь Иоганн Рудольф Глаубер (1604-1670) в 1648 г. впервые осуществил реакцию получения кислоты из её соли действием серной кислоты. Нагреванием смеси хлорида натрия с серной кислотой он выделил газообразный хлороводород, который при растворении в воде превращался в соляную кислоту. После него многие химики пытались аналогичным образом получить из нитрита натрия NaNO2 азотистую кислоту, а из тиосульфата натрия Na2SO3S – тиосерную кислоту. Но происходило нечто странное. В реакции с нитритом натрия почему-то выделялся красно-бурый газ, а из смеси тиосульфата натрия с серной кислотой – бесцветный № 6 2015 27 газ с резким запахом, причём исходная соль превращалась в вещество жёлтого цвета. Почему не удалось получить эти кислоты способом Глаубера? 1.13. Горючая кислота В 1793 г. с русским химиком Товием Ловицем (1757-1804) произошли два странных случая. Однажды он по неосторожности уронил в чашку с только что полученной безводной кислотой фарфоровый шпатель с порошком пероксида натрия, и кислота вспыхнула. В другой раз, занимаясь перегонкой 80%-ного раствора той же кислоты, он решил посмотреть, много ли собрано конденсата в колбе-приёмнике, и поднес к ней горящую свечу. Пары кислоты тут же вспыхнули, над приёмником появилось слабо светящееся пламя ... Свойства какой кислоты изучал Ловиц? ку. Смешав кристаллы KMnO4 c концентрированной серной кислотой, он заметил появление маслянистой зеленовато-чёрной жидкости и обрадовался, считая, что эта жидкость и есть «красящее начало» перманганата. Унфердорбен решил отделить её от смеси перегонкой и начал нагревание. Но внезапно раздался сильный взрыв, который едва не стоил химику жизни. В чём была ошибка Унфердорбена? 1.15. Кислоты «с секретом» На практическом туре городской олимпиады её участникам было поручено приготовить 72%-е растворы хлорноватистой, хлористой, хлорноватой и хлорной кислот. Победителем был признан участник олимпиады, который приготовил только один раствор. Как вы думаете, почему? (Продолжение следует) 1.14. Опасная аналогия В 1826 г. немецкий химик Отто Унфердорбен (1806-1873) едва не погиб. Вот как это было. Унфердорбен задумал извлечь из перманганата калия вещество, придающее соли фиолетовую окрас- Н.Г. Антонюк, кандидат химических наук, доцент кафедры химии Национального университета «Киево-Могилянская академия» Давид Тенирс Младший (1610-1690). Алхимик Давид Тенирс Младший (1610-1690) — один из наиболее значимых художников и гравёров фламандский школы наряду со своими соотечественниками Рубенсом и ван Дейком. Писал картины на религиозные темы, жанровые сцены, сцены деревенской жизни, интерьеры, портреты, пейзажи. Ему приписываются несколько тысяч работ. Многочисленные фламандские и французские шпалеры, а также серии гравюр по его картинам обеспечили ему славу. Тенирс Младший стал основателем антвер- Давид Тенирс Младший (1610- 1690). Автопортрет пенской Академии, открытой в 1665 г. В том же году он был удостоен дворянского звания, после чего перестал требовать деньги за написанные им картины. Произведения Тенирса пользовались успехом, множество разошлось по королевским собраниям разных стран, стало достоянием европейских музеев. Одна из самых обширных коллекций Тенирса собрана в Государственном Эрмитаже в городе Санкт-Петербурге. КИСЛОТЫ: ПРОТОНЫ В ПОДАРОК
