Кислота и другие полезные элементы. Взаимодействие кислот с основаниями и амфотерными гидроксидами

Кислотами называются сложные вещества, в состав молекул которых входят атомы водорода, способные замещаться или обмениваться на атомы металла и кислотный остаток.

По наличию или отсутствию кислорода в молекуле кислоты делятся на кислородсодержащие (H 2 SO 4 серная кислота, H 2 SO 3 сернистая кислота, HNO 3 азотная кислота, H 3 PO 4 фосфорная кислота, H 2 CO 3 угольная кислота, H 2 SiO 3 кремниевая кислота) и бескислородные (HF фтороводородная кислота, HCl хлороводородная кислота (соляная кислота), HBr бромоводородная кислота, HI иодоводородная кислота, H 2 S сероводородная кислота).

В зависимости от числа атомов водорода в молекуле кислоты кислоты бывают одноосновные (с 1 атомом Н), двухосновные (с 2 атомами Н) и трехосновные (с 3 атомами Н). Например, азотная кислота HNO 3 одноосновная, так как в молекуле её один атом водорода, серная кислота H 2 SO 4 – двухосновная и т.д.

Неорганических соединений, содержащих четыре атома водорода, способных замещаться на металл, очень мало.

Часть молекулы кислоты без водорода называется кислотным остатком.

Кислотные остатки могут состоять из одного атома (-Cl, -Br, -I) – это простые кислотные остатки, а могут – из группы атомов (-SO 3, -PO 4, -SiO 3) – это сложные остатки.

В водных растворах при реакциях обмена и замещения кислотные остатки не разрушаются:

H 2 SO 4 + CuCl 2 → CuSO 4 + 2 HCl

Слово ангидрид означает безводный, то есть кислота без воды. Например,

H 2 SO 4 – H 2 O → SO 3 . Бескислородные кислоты ангидридов не имеют.

Своё название кислоты получают от названия образующего кислоту элемента (кислотообразователя) с прибавлением окончаний «ная» и реже «вая»: H 2 SO 4 – серная; H 2 SO 3 – угольная; H 2 SiO 3 – кремниевая и т.д.

Элемент может образовать несколько кислородных кислот. В таком случае указанные окончания в названии кислот будут тогда, когда элемент проявляет высшую валентность (в молекуле кислоты большое содержание атомов кислорода). Если элемент проявляет низшую валентность, окончание в названии кислоты будет «истая»: HNO 3 – азотная, HNO 2 – азотистая.

Кислоты можно получать растворением ангидридов в воде. В случае, если ангидриды в воде не растворимы, кислоту можно получить действием другой более сильной кислоты на соль необходимой кислоты. Этот способ характерен как для кислородных так и бескислородных кислот. Бескислородные кислоты получают так же прямым синтезом из водорода и неметалла с последующим растворением полученного соединения в воде:

H 2 + Cl 2 → 2 HCl;

H 2 + S → H 2 S.

Растворы полученных газообразных веществ HCl и H 2 S и являются кислотами.

При обычных условиях кислоты бывают как в жидком, так и в твёрдом состоянии.

Химические свойства кислот

Растворыв кислот действуют на индикаторы. Все кислоты (кроме кремниевой) хорошо растворяются в воде. Специальные вещества – индикаторы позволяют определить присутствие кислоты.

Индикаторы – это вещества сложного строения. Они меняют свою окраску в зависимоти от взаимодействия с разными химическими веществами. В нейтральных растворах - они имеют одну окраску, в растворах оснований – другую. При взаимодействии с кислотой они меняют свою окраску: индикатор метиловый оранжевый окрашивается в красный цвет, индикатор лакмус – тоже в красный цвет.

Взаимодействуют с основаниями с образованием воды и соли, в которой содержится неизменный кислотный остаток (реакция нейтрализации):

H 2 SO 4 + Ca(OH) 2 → CaSO 4 + 2 H 2 O.

Взаимодействуют с основанными оксидами с образованием воды и соли (реакция нейтрализации). Соль содержит кислотный остаток той кислоты, которая использовалась в реакции нейтрализации:

H 3 PO 4 + Fe 2 O 3 → 2 FePO 4 + 3 H 2 O.

Взаимодействуют с металлами. Для взаимодействия кислот с металлами должны выполнятся некоторые условия:

1. металл должен быть достаточно активным по отношению к кислотам (в ряду активности металлов он должен располагаться до водорода). Чем левее находится металл в ряду активности, тем интенсивнее он взаимодействует с кислотами;

2. кислота должна быть достаточно сильной (то есть способной отдавать ионы водорода H +).

При протекании химических реакций кислоты с металлами образуется соль и выделяется водород (кроме взаимодействия металлов с азотной и концентрированной серной кислотами,):

Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2 ;

Cu + 4HNO 3 → CuNO 3 + 2 NO 2 + 2 H 2 O.

Остались вопросы? Хотите знать больше о кислотах?
Чтобы получить помощь репетитора – зарегистрируйтесь .
Первый урок – бесплатно!

сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

Различают два вида кислот: органические и неорганические, различия между ними в том, что первые всегда содержат молекулы углерода.
Органические поступают в организм с ягодами, овощами, фруктами и молочными продуктами. Некоторые кислоты являются витаминами, как, например, витамин С – аскорбиновая .

Неорганические кислоты тоже могут поступать с продуктами питания, но могут и вырабатываться организмом самостоятельно. Соляная кислота присутствует в желудочном соке, под ее действием погибают бактерии, попадающие в желудок с пищей. Сероводородная кислота содержится в минеральной воде.

Применение кислот

Серная кислота занимает первое место среди кислот. Она в больших количествах применяется для производства удобрений, химических волокон, лекарств. Ею заполняют кислотные аккумуляторы, используют для извлечения металлов из руды. В нефтяной промышленности ее применяют для очистки нефтепродуктов.

Уксусная кислота обладает бактерицидным действием, ее раствор применяют при консервировании продуктов питания, для получения лекарств, при производстве , в крашении и книгопечатании.

Соляная кислота используется для обработки зон скважин в нефтяной промышленности.

Азотная кислота играет большую роль при производстве удобрений, лаков, красителей, пластмасс, взрывчатых и лекарственных веществ.

Фосфорная кислота входит в состав обезжиривающих составов для металлических материалов перед нанесением на них защитных составов. Включается в состав веществ для преобразования ржавчины перед нанесением краски, и применяется в качестве защиты от коррозии трубопроводов.

Лимонная кислота применяется при создании косметических средств, в качестве разбавителя и консерванта. Благодаря своим свойствам отбеливать, очищать и вяжущему действию, она входит в состав очищающих кремов, ополаскивателей , кремов от пигментации, красок для волос.

Ацетилсалициловая кислота эффективна при профилактике заболеваний сердечно-сосудистой системы, уменьшает образование тромбов, обладает анальгезирующим эффектом, поэтому применяется .

Борная кислота также применяется в из-за своего антисептического свойства. Ее применяют при педикулезе (вшивости), при лечении отитов, конъюнктивитов, воспалений кожных покровов.

Стеариновая кислота используется в мыловарении. Добавление ее в мыло гарантирует, что продукт будет делать кожу гладкой, мягкой и обладать успокаивающим эффектом.

Кислоты - сложные вещества, состоящие из одного или нескольких атомов водорода, способных замещаться на атома металлов, и кислотных остатков.

Классификация кислот

1. По числу атомов водорода: число атомов водорода (n ) определяет основность кислот:

n = 1 одноосновная

n = 2 двухосновная

n = 3 трехосновная

2. По составу:

а) Таблица кислород содержащих кислот, кислотных остатков и соответствующих кислотных оксидов:

б) Таблица бескислородных кислот

Физические свойства кислот

Многие кислоты, например серная, азотная, соляная – это бесцветные жидкости. известны также твёрдые кислоты: ортофосфорная, метафосфорная HPO 3 , борная H 3 BO 3 . Почти все кислоты растворимы в воде. Пример нерастворимой кислоты – кремниевая H 2 SiO 3 . Растворы кислот имеют кислый вкус. Так, например, многим плодам придают кислый вкус содержащиеся в них кислоты. Отсюда названия кислот: лимонная, яблочная и т.д.

Способы получения кислот

Химические свойства кислот

1. Изменяют окраску индикаторов

2.Реагируют с металлами в ряду активности до H 2

(искл. HNO 3 –азотная кислота)

Видео "Взаимодействие кислот с металлами"

Ме + КИСЛОТА =СОЛЬ + H 2 (р. замещения)

Zn + 2 HCl = ZnCl 2 + H 2

3. С основными (амфотерными) оксидами – оксидами металлов

Видео "Взаимодействие оксидов металлов с кислотами"

Ме х О у + КИСЛОТА= СОЛЬ + Н 2 О (р. обмена)

4. Реагируют с основаниями – реакция нейтрализации

КИСЛОТА + ОСНОВАНИЕ= СОЛЬ+ H 2 O (р. обмена)

H 3 PO 4 + 3 NaOH = Na 3 PO 4 + 3 H 2 O

5. Реагируют с солями слабых, летучих кислот - если образуется кислота, выпадающая в осадок или выделяется газ:

2 NaCl (тв .) + H 2 SO 4 (конц .) = Na 2 SO 4 + 2HCl ­ ( р . обмена )

Видео "Взаимодействие кислот с солями"

6. Разложение кислородсодержащих кислот при нагревании

(искл. H 2 SO 4 ; H 3 PO 4 )

КИСЛОТА = КИСЛОТНЫЙ ОКСИД + ВОДА (р. разложения)

Запомните! Неустойчивые кислоты (угольная и сернистая) – разлагаются на газ и воду :

H 2 CO 3 ↔ H 2 O + CO 2

H 2 SO 3 ↔ H 2 O + SO 2

Сероводородная кислота в продуктах выделяется в виде газа:

СаS + 2HCl = H 2 S + Ca Cl 2

ЗАДАНИЯ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ

№1. Распределите химические формулы кислот в таблицу. Дайте им названия:

LiOH , Mn 2 O 7 , CaO , Na 3 PO 4 , H 2 S , MnO , Fe (OH ) 3 , Cr 2 O 3 ,HI , HClO 4 , HBr , CaCl 2 , Na 2 O , HCl , H 2 SO 4 , HNO 3 , HMnO 4 , Ca (OH ) 2 , SiO 2 , Кислоты

Бес-кисло-

родные

Кислород- содержащие

растворимые

нераст-воримые

одно-

основные

двух-основные

трёх-основные

№2. Составьте уравнения реакций:

Ca + HCl

Na + H 2 SO 4

Al + H 2 S

Ca + H 3 PO 4
Назовите продукты реакции.

№3. Составьте уравнения реакций, назовите продукты:

Na 2 O + H 2 CO 3

ZnO + HCl

CaO + HNO 3

Fe 2 O 3 + H 2 SO 4

№4. Составьте уравнения реакций взаимодействия кислот с основаниями и солями:

KOH + HNO 3

NaOH + H 2 SO 3

Ca(OH) 2 + H 2 S

Al(OH) 3 + HF

HCl + Na 2 SiO 3

H 2 SO 4 + K 2 CO 3

HNO 3 + CaCO 3

Назовите продукты реакции.

ТРЕНАЖЁРЫ

Тренажёр №1. "Формулы и названия кислот"

Тренажёр №2. " Установление соответствия: формула кислоты - формула оксида"

Техника безопасности - Оказание первой помощи при попадании кислот на кожу

Техника безопасности -

Кислоты - это такие химические соединения, которые способны отдавать электрически заряженный ион (катион) водорода, а также принимать два взаимодействущих электрона, вследствие чего образуется ковалентная связь.

В данной статье мы рассмотрим основные кислоты, которые изучают в средних классах общеобразовательных школ, а также узнаем множество интересных фактов о самых разных кислотах. Приступим.

Кислоты: виды

В химии существует множество самых разнообразных кислот, которые имеют самые разные свойства. Химики различают кислоты по содержанию в составе кислорода, по летучести, по растворимости в воде, силе, устойчивости, принадлежности к органическому или неорганическому классу химических соединений. В данной статье мы рассмотрим таблицу, в которой представлены самые известные кислоты. Таблица поможет запомнить название кислоты и ее химическую формулу.

Итак, все наглядно видно. В данной таблице представлены самые известные в химической промышленности кислоты. Таблица поможет намного быстрее запомнить названия и формулы.

Сероводородная кислота

H 2 S - это сероводородная кислота. Ее особенность заключается в том, что она еще и является газом. Сероводород очень плохо растоворяется в воде, а также взаимодействует с очень многими металлами. Сероводородная кислота относится к группе "слабые кислоты", примеры которых мы рассмотрим в данной статье.

H 2 S имеет немного сладковатый вкус, а также очень резкий запах тухлых яиц. В природе ее можно встретить в природном или вулканическом газах, а также она выделяется при гниении белка.

Свойства кислот очень разнообразны, даже если кислота незаменима в промышленности, то может быть очень неполезна для здоровья человека. Данная кислота очень токсична для человека. При вдыхании небольшого количество сероводорода у человека пробуждается головная боль, начинается сильная тошнота и головокружение. Если же человек вдохнет большое количество H 2 S, то это может привести к судорогам, коме или даже мгновенной смерти.

Серная кислота

H 2 SO 4 - это сильная серная кислота, с которой дети знакомятся на уроках химии еще в 8-м классе. Химические кислоты, такие как серная, являются очень сильными окислителями. H 2 SO 4 действует как окислитель на очень многие металлы, а также основные оксиды.

H 2 SO 4 при попадании на кожу или одежду вызывает химические ожоги, однако она не так токсична, как сероводород.

Азотная кислота

В нашем мире очень важны сильные кислоты. Примеры таких кислот: HCl, H 2 SO 4 , HBr, HNO 3 . HNO 3 - это всем известная азотная кислота. Она нашла широкое применение в промышленности, а также в сельском хозяйстве. Ее используют для изготовления различных удобрений, в ювелирном деле, при печати фотографий, в производстве лекарственных препаратов и красителей, а также в военной промышленности.

Такие химические кислоты, как азотная, являются очень вредными для организма. Пары HNO 3 оставляют язвы, вызывают острые воспаления и раздражения дыхательных путей.

Азотистая кислота

Азотистую кислоту очень часто путают с азотной, но разница между ними есть. Дело в том, что намного слабее азотной, у нее совершенно другие свойства и действие на организм человека.

HNO 2 нашла широкое применение в химической промышленности.

Плавиковая кислота

Плавиковая кислота (или фтороводород) - это раствор H 2 O c HF. Формула кислоты - HF. Плавиковая кислота очень активно используется в алюминиевой промышленности. Ею растворяют силикаты, травят кремний, силикатное стекло.

Фтороводород является очень вредным для организма человека, в зависимости от его концентрации может быть легким наркотиком. При попадании на кожу сначала никаких изменений, но уже через несколько минут может появиться резкая боль и химический ожог. Плавиковая кислота очень вредна для окружающего мира.

Соляная кислота

HCl - это хлористый водород, является сильной кислотой. Хлористый водород сохраняет свойства кислот, относящихся к группе сильных. На вид кислота прозрачна и бесцветна, а на воздухе дымится. Хлористый водород широко применяется в металлургической и пищевой промышленностях.

Данная кислота вызывает химические ожоги, но особо опасно ее попадание в глаза.

Фосфорная кислота

Фосфорная кислота (H 3 PO 4) - это по своим свойствам слабая кислота. Но даже слабые кислоты могут иметь свойства сильных. Например, H 3 PO 4 используют в промышленности для восстановления железа из ржавчины. Помимо этого, форсфорная (или ортофосфорная) кислота широко используется в сельском хозяйстве - из нее изготавливают множество разнообразных удобрений.

Свойства кислот очень схожи - практически каждая из них очень вредна для организма человека, H 3 PO 4 не является исключением. Например, эта кислота также вызывает сильные химические ожоги, кровотечения из носа, а также крошение зубов.

Угольная кислота

H 2 CO 3 - слабая кислота. Ее получают при растворении CO 2 (углекислый газ) в H 2 O (вода). Угольную кислоту используют в биологии и биохимии.

Плотность различных кислот

Плотность кислот занимает важное место в теоретической и практической частях химии. Благодаря знанию плотности можно определить концентрацию той или иной кислоты, решить расчетные химические задачи и добавить правильное количество кислоты для совершения реакции. Плотность любой кислоты меняется в зависимости от концентрации. Например, чем больше процент концентрации, тем больше и плотность.

Общие свойства кислот

Абсолютно все кислоты являются (то есть состоят из нескольких элементов таблицы Менделеева), при этом обязательно включают в свой состав H (водород). Далее мы рассмотрим которые являются общими:

1. Все кислородсодержащие кислоты (в формуле которых присутствует O) при разложении образуют воду, а также А бескислородные при этом разлагаются на простые вещества (например, 2HF разлагается на F 2 и H 2).
2. Кислоты-окислители взаимодействуют со всеми металлами в ряду активности металлов (только с теми, которые расположены слева от H).
3. Взаимодействуют с различными солями, но только с теми, которые были образованы еще более слабой кислотой.

По своим физическим свойствам кислоты резко отличаются друг от друга. Ведь они могут иметь запах и не иметь его, а также быть в самых разных агрегатных состояниях: жидких, газообразных и даже твердых. Очень интересны для изучения твердые кислоты. Примеры таких кислот: C 2 H 2 0 4 и H 3 BO 3 .

Концентрация

Концентрацией называют величину, которая определяет количественный состав любого раствора. Например, химикам часто необходимо определить то, сколько в разбавленной кислоте H 2 SO 4 находится чистой серной кислоты. Для этого они наливают небольшое количество разбавленной кислоты в мерный стакан, взвешивают и определяют концентрацию по таблице плотности. Концентрация кислот узко взаимосвязана с плотностью, часто на определение концетрации встречаются расчетные задачи, где нужно определить процентное количество чистой кислоты в растворе.

Классификация всех кислот по количеству атомов H в их химической формуле

Одной из самых популярных классификаций является разделение всех кислот на одноосновные, двухосновные и, соответственно, трехосновные кислоты. Примеры одноосновных кислот: HNO 3 (азотная), HCl (хлороводородная), HF (фтороводородная) и другие. Данные кислоты называются одноосновными, так как в их составе присутствует всего лишь один атом H. Таких кислот множество, абсолютно каждую запомнить невозможно. Нужно лишь запомнить, что кислоты классифицируют и по количеству атомов H в их составе. Аналогично определяются и двухосновные кислоты. Примеры: H 2 SO 4 (серная), H 2 S (сероводородная), H 2 CO 3 (угольная) и другие. Трехосновные: H 3 PO 4 (фосфорная).

Основная классификация кислот

Одной из самых популярных классификаций кислот является разделение их на кислородосодержащие и бескислородные. Как запомнить, не зная химической формулы вещества, что это кислота кислородосодержащая?

У всех бескислородных кислот в составе отсутствует важный элемент O - кислород, но зато в составе есть H. Поэтому к их названию всегда приписывается слово "водородная". HCl - это a H 2 S - сероводородная.

Но и по названиям кислосодержащих кислот можно написать формулу. Например, если число атомов O в веществе - 4 или 3, то к названию всегда прибавляется суффикс -н-, а также окончание -ая-:

• H 2 SO 4 - серная (число атомов - 4);
• H 2 SiO 3 - кремниевая (число атомов - 3).

Если же в веществе меньше трех атомов кислорода или три, то в названии используется суффикс -ист-:

• HNO 2 - азотистая;
• H 2 SO 3 - сернистая.

Общие свойства

Все кислоты имеют вкус кислый и часто немного металлический. Но есть и другие схожие свойства, которые мы сейчас рассмотрим.

Есть такие вещества, которые называются индикаторами. Индикаторы изменяют свой цвет, или же цвет остается, но меняется его оттенок. Это происходит в то время, когда на индикаторы действуют какие-то другие вещества, например кислоты.

Примером изменения цвета может служить такой привычный многим продукт, как чай, и лимонная кислота. Когда в чай бросают лимон, то чай постепенно начинает заметно светлеть. Это происходит из-за того, что в лимоне содержится лимонная кислота.

Существуют и другие примеры. Лакмус, который в нейтральной среде имеет сиреневый цвет, при добавлении соляной кислоты становится красным.

При находящимися в ряду напряженности до водорода, выделяются пузырьки газа - H. Однако если в пробирку с кислотой поместить металл, который находится в ряду напряженности после H, то никакой реакции не произойдет, выделения газа не будет. Так, медь, серебро, ртуть, платина и золото с кислотами реагировать не будут.

В данной статье мы рассмотрели самые известные химические кислоты, а также их главные свойства и различия.

Что такое кислота? Можно сказать, что это одно из самых распространенных химических веществ. Еще это важнейший продукт хозяйства и сырье для разных отраслей химической промышленности - почти ни один технологический процесс не обходится без участия в нем кислот. А роль кислот в живом организме? Они поставляют необходимые ему ионы водорода и других элементов. Наша поджелудочная железа - микрозавод по производству соляной кислоты, без которой нарушается процесс пищеварения. Кислоты входят в состав огромных молекул ДНК и РНК… Много интересного можно еще рассказать о них. Но все это - еще не ответ на поставленный вопрос, который, как оказалось, затруднителен даже для ученых, постоянно общающихся с кислотами.

В чем же трудность? Почему в наше время, когда удалось расшифровать структуру сложнейших органических молекул, когда ученые уже заглядывают внутрь элементарных частиц, сохранилась такая заповедная область в химии? Возможно, потому, что нет четкой основы для определения основного свойства кислот - их силы.

Это кажется невероятным. Ведь первое, что каждый из нас на собственном опыте узнает о кислоте, как раз и есть представление о ее способности реагировать с другими веществами. За небрежное обращение с сильной азотной кислотой мы расплачиваемся ожогами на коже или, в лучшем случае, дырками в одежде, а раствором слабой борной кислоты промываем детям глаза. Известно, что азотная, серная кислоты бурно взаимодействуют с , борная же почти не вступает в с ними. Да уже давно - с конца позапрошлого века - химики на практике легко и просто узнают, насколько сильна кислота - для этого они смотрят, в какой степени она диссоциирует (диссоциация - это расщепление молекулы на отдельные ионы) в водном растворе.

Даже не говоря уже о житейском «методе» определения силы кислоты, далеко не безупречном с точки зрения техники безопасности, следует признать, что другие, чисто научные методы тоже имеют свои недостатки. Трудно систематизировать кислоты по их отношению к металлам, потому что оно определяется не только свойствами кислоты, но и свойствами самого металла. Точно так же и вода - не инертный растворитель: она совсем не безразлична к растворенной в ней кислоте и в принципе может наладить с ней химические взаимоотношения. Значит, понятие «степень диссоциации» тоже не вполне однозначно. Однако оно все же выручает химиков, работающих с водными растворами.

Но попробуйте войти в положение тех, кто работает с кислотами в неводных растворах. Им-то как быть? Вот если бы удалось связать свойства кислоты со структурой ее молекулы…

Давайте ненадолго отвлечемся от почти детективного сюжета, разворачивающегося перед нами, и оглядимся. Мы заметим, что на сцене природы пьесы «Химия» и «Физика» играют, в сущности, одни и те же исполнители. Только в традиционных химических действиях атомы и молекулы прикрыты такими пышными одеждами из устрашающих названий разных соединений и так скованы химическими канонами, что за всем этим так же трудно разглядеть физическую основу их поведения, как в театре масок рассмотреть настоящее лицо актера. И в нашем случае с кислотами тоже не удавалось связать свойства молекул кислоты с их внутренней электронной структурой. Но если бы это произошло, тогда отпала бы необходимость в «гадании» на воде о силе кислот.

Электронное одеяло

Относительную силу кислоты (здесь и везде речь идет о протонных кислотах, содержащих водород) можно определить по ее способности отдавать протон. То есть по связи атома водорода в молекуле кислоты. Ухватимся за эту путеводную нить и посмотрим, куда она нас приведет.

Как только отдельные атомы соединяются в молекулу, часть их личного имущества - внешние, валентные электроны - обобществляется. Они образуют электронное одеяло,
укутывающее всю молекулу. Если одеяло равномерно прикрывает атомы, они остаются нейтральными. Но так происходит только в том случае, когда атомные партнеры с одинаковой силой притягивают к себе электроны. На самом деле один из них всегда оказывается сильнее и чаще стягивает их на себя, оголяя своего соседа.

Именно так недружелюбно и ведет себя по отношению к водороду в молекуле кислоты. От избытка натянутых на себя электронов он превращается в отрицательно заряженный ион кислорода, а у водорода просвечивает положительный заряд протона. Теперь, кроме обычных взаимоотношений в виде «натянутого» обмена валентными электронами, между атомами водорода и кислорода возникает еще и ионная связь - попросту говоря, притяжение зарядов разного знака.

Активное поведение атома кислорода приводит к важным последствиям: меняется способность кислоты отдавать при диссоциации в водном растворе свой протон. Чем сильнее оттягивает на себя электроны атом кислорода, тем легче протону в растворе уйти из-под его химической опеки! И вот почему. Вблизи молекул воды существуют сильные электрические поля. Они не страшны атомам, хорошо укрытым электронным одеялом Однако в кислотах равноправия нет. Общие электроны большую часть времени проводят около кислорода. А положительно заряженный протон и отрицательно заряженный ион кислорода беззащитны перед действием электрических полей воды. Кулоновские силы расщепляют молекулу. Чем чаще побеждает кислород в борьбе за обладание электронами, тем больше его электрический заряд, или, как говорят химики, тем больше степень ионности связи Н - О. А следовательно, и степень диссоциации кислоты.

Вот ниточка и привела нас к цели. Оказывается, силу кислоты можно связать со структурой ее молекулы, а точнее - с вероятностью нахождения валентных электронов около кислорода. Такие рассуждения - не новость для химиков, но в их руках не было подходящего инструмента для измерения плотности электронного одеяла в разных местах молекулы. Дело не двигалось с места до тех пор, пока на помощь не подоспели физики.

Плодотворный альянс

Группа сотрудников Лаборатории ядерных проблем впервые обнаружила редкую реакцию захвата отрицательных пи-мезонов протонами - ядрами атомов водорода. В результате протон превращается в нейтрон и нейтральный мезон, который очень быстро распадается на два гамма-кванта. Элементарная логика подсказывает: раз можно точно установить факт захвата мезонов именно водородом, то, значит, пара гамма-квантов выдаст присутствие даже одного водородного атома в сложном химическом соединении. Хорошо, - скажете вы, - но какое отношение имеет все это к кислотам и вообще к химии? Самое прямое.

Самое прямое, хотя сначала никто из авторов этого открытия и не думал, что мезоны могут как-то помочь разобраться именно в свойствах кислот. Физики были только удивлены тем, что химически связанные атомы водорода совершенно теряют свойственный свободному водороду «аппетит» к мезонам и захватывают их приблизительно в тысячу раз реже. Однако, заинтересовавшись этим явлением провели целую серию измерений, облучая мезонами разные вещества, содержащие водород. И вот что обнаружилось: «аппетит» протонов зависит от характера взаимоотношений атома водорода с другими атомами молекулы. Сомнений не оставалось: ядерная реакция чутко реагировала на изменение электронной структуры молекул. Разработанная модель больших мезомолекул помогла разобраться в этом интересном физическом явлении.

Вместе с потерей «личного» электрона, протон лишается и собственной посадочной площадки для мезона. Вот если он случайно застрянет в общем электронном одеяле, то есть образуется большая мезомолекула, тогда у протона появляется маленький шанс на захват мезона. Осуществится он или нет - теперь целиком зависит от поведения атома кислорода.

В молекуле кислоты общими валентными электронами в основном владеет кислород, а вероятность захвата мезона водородом тем меньше, чем меньше плотность электронов вблизи него. Значит, стоит лишь подсчитать, сколько гамма-квантов вылетает из мишени, облучаемой мезонами, и мы узнаем, насколько сильно электроны оттянуты от протона, то есть определим степень ионности связи Н - О!

К использованию этого физического явления в химических исследованиях пришли с двух сторон. Физикам интересно было использовать обнаруженное ими явление, химикам хотелось получить в руки новый метод исследования.

Альянс оказался плодотворным, и вот первый успех. По измерению вероятности захвата мезонов протонами в нескольких кислотах нашли распределение плотности общих электронов в молекулах. А затем эти кислоты расположили в ряд по степени ионности связи Н - О. Оказалось, что точно в таком же порядке располагаются кислоты и по степени их диссоциации.

Липкие молекулы

Общую картину благополучия несколько портила только органическая щавелевая кислота: по диссоциации в водном растворе ее относят к кислотам средней силы, а в опытах с мезонами она проявила себя как сильная. В чем же дело? Неужели метод мезонного силомера просто непригоден здесь? Наоборот. Обнаружилась еще одна его возможность. С его помощью, может быть, удастся глубже проникнуть в природу очень интересного химического явления - водородных связей.

Из всего обилия существующих в природе элементов только некоторые, в том числе кислород и азот, особенно неравнодушны к водороду. Даже исчерпав все свои валентные возможности, они все-таки образуют с водородом соседней молекулы дополнительные, очень слабые и во многом еще загадочные водородные связи.

По правилам «чистой» химии воде надлежит кипеть при температуре -80°С. О горячем чае мы могли бы только мечтать, если б не было водородных связей. Но дело в том, что вода в стакане, в ванне, в океане - это не просто скопление отдельных молекул, а бесконечный, сложный, упорядоченный хоровод из склеенных между собой водородными связями частичек воды. Каждый атом водорода «держится» не только за «свой» кислород, но и за кислород соседней молекулы.

Всем известный аммиак кипит при температуре - 30°С, а не будь водородных связей, температура опустилась бы до -150°С! И тогда это важнейшее химическое сырье было бы столь же сложно получать, как и жидкий азот.

Водородные связи на порядок слабее обычных химических, но, тем не менее, влияние их на нашу жизнь огромно. Более того, сама жизнь без них была бы невозможна. Водородные связи определяют и структуру носителя генетической информации - двойной спирали молекулы ДНК, и биологическую активность белков, осуществляющих обмен веществ в организме.

История с щавелевой кислотой как раз и помогла выявить чувствительность мезонного метода к этим слабым сцеплениям, возникающим между атомами. По-видимому, двуликость щавелевой кислоты тоже можно объяснить влиянием водородных связей. Они попарно склеивают молекулы кислоты так, что атомы водорода оказываются зажатыми между двумя кислородными - своим и принадлежащим другой молекуле. Как показывают специальные опыты в твердой щавелевой кислоте, протон действительно связан «по рукам и ногам».

Если протону, объединенному с кислородом общим электронным покрывалом, и так очень редко удается понежиться под ним, то положение протона щавелевой кислоты еще хуже: ведь кислород второй молекулы тоже владеет избытком электронов и заряжен отрицательно. Поэтому он, чуточку притягивая к себе «чужой» протон, в то же время отталкивает его электроны, оголяя его еще больше. А мезонный силомер фиксирует добавочную эту силу воздействия на электроны со стороны соседнего кислорода, и кислота кажется сильнее, чем она есть на самом деле.

Работа с кислотами - это только начало, демонстрация возможностей нового метода. Мезоны приобретают вторую специальность Их способность быстро разбираться в том, в каких условиях находятся атомы водорода в молекулах сложных веществ, открывает перед этими частицами много химических тайн.

Ценность нового метода - в его возможности выделить связь водорода с другими атомами, независимо от сложности химического соединения. С помощью мезонов можно прощупать реальное распределение плотности валентных электронов в различных молекулах, содержащих водород.

Сейчас трудно сказать, какое применение мезонного метода окажется наиболее интересным.