4.10: Кислоти, основи та солі

Last updated
Save as PDF

Page ID: 18665

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Крім бінарних молекулярних сполук, більшість неорганічних сполук можна класифікувати як кислоти, основи або солі. Ці три категорії сполук і їх назви коротко розглянуті тут.

Кислоти

Кислоти характеризуються іоном Н ⁺, наявність якого у воді, робить воду кислою. Кислота або містить цей іон, або виробляє його, коли він розчиняється у воді. Сірчана кислота, H ₂ SO ₄, є прикладом з'єднання, яке містить іон Н ⁺. Розчинена у воді молекула сірчаної кислоти існує у вигляді іонів 2 H ⁺ і 1 SO ₄ ^2- іона. Прикладом сполуки, яка класифікується як кисла, оскільки вона виробляє іон Н ⁺, коли він розчиняється у воді, є вуглекислий газ, який зазнає наступну реакцію у водному розчині:

\[CO_{2} + H_{2}O \rightarrow H^{+} + HCO_{3}^{-}\]

При цьому лише мала частка розчинених у воді молекул СО ₂ піддається вищевказаної реакції з отриманням Н ⁺, тому водні розчини СО ₂ є слабокислими, а вуглекислий газ класифікується як слабка кислота. Саме наявність розчиненого CO ₂ з вуглекислого газу, природно присутнього в повітрі, робить опади, що надходять навіть з незабруднених атмосфер, слабокислими, і, як обговорюється в главі 9, слабокислі властивості CO ₂ дуже важливі в природних водах у навколишньому середовищі. Інші кислоти, такі як соляна кислота, HCl, повністю дисоціюються до Н ⁺ і аніону (у випадку з HCl Cl ^- аніон) при їх розчиненні у воді; такі кислоти є сильними кислотами.

Найменування кислот слідує певним правилам. У випадку з кислотою, яка містить тільки Н і один інший елемент, кислота являє собою водневу кислоту. Так HCl називається гідро хлор іс кислота. Дещо інші правила діють, коли кислота містить кисень. Деякі елементи утворюють кислоти, в яких аніон має різну кількість кисню; прикладами є H _{2 SO} ₄ і H _{2 SO} ₃. Кислота з більшою кількістю кисню є «-ic» кислотою, тому H ₂ SO ₄ - сірчана кислота. Кислота з меншою кількістю кисню є «-озною» кислотою, тому H ₂ SO ₃ - сірчиста кислота. Більша кількість кисню, ніж навіть «-ик» кислота, позначається приставкою «пер-», а менша кількість кисню, ніж навіть «-озная» кислота, позначається приставкою «гіпо-». Ці назви дуже добре показують назви оксикислот хлору. Так назви HClO ₄, HClO ₃, HClO ₂ і HClO - це, відповідно, хлорноватиста кислота, хлорнуватиста кислота і хлорноватиста кислота.

Кислоти надзвичайно важливі як промислові хімічні речовини, в навколишньому середовищі, так і щодо зеленої хімії. Щороку в США виробляється близько 40 мільйонів метричних тонн (40 мільярдів кілограмів) сірчаної кислоти. Це синтетична хімічна речовина № 1, багато в чому завдяки його застосуванню для обробки фосфатних мінералів для внесення фосфорних добрив. Сірчана кислота також використовується у великих кількостях для видалення корозії зі сталі, процес, який називається травленням сталі. Інші основні види використання включають синтез миючих засобів, переробку нафти, виробництво свинцевих акумуляторних батарей та синтез алкоголю. Близько 7-8 мільйонів тонн азотної кислоти, HNO ₃, виробляється в США щороку, даючи їй ранг 10-го, а соляна кислота займає близько 25 місце з річним виробництвом близько 3 мільйонів метричних тонн.

Кислоти важливі в навколишньому середовищі. Неправильно утилізована кислота спричинила серйозні проблеми навколо небезпечних відходів. Сірчана кислота поряд з меншими кількостями соляної та азотної кислот є основними складовими кислотних дощів (див. Главу 10). Кислоти займають видне місце в практиці зеленої хімії. Рекультивація і утилізація кислот зазвичай проводиться в практиці промислової екології. Як зазначалося раніше, значна частина виробленої в даний час сірчаної кислоти використовує потенційні відходи і забруднювач, сірководень, H ₂ S, видалений з кислих джерел природного газу як джерело сірки.

У випадках, коли може бути використана відносно слабка кислота, оцтова кислота, виготовлена шляхом бродіння вуглеводів, є чудовою зеленою альтернативою більш сильним кислотам, таким як сірчана кислота. Дріжджі можуть перетворювати вуглеводи в етанол (етиловий спирт, який присутній в алкогольних напоях) та інші мікроорганізми в присутності повітря перетворюють етанол в оцтову кислоту тим же процесом, що оцет, розведений розчин оцтової кислоти, виготовляється з сидру або вина. Структурна формула оцтової кислоти - це

в якому тільки один з 4 атомів Н є іонізуючим, щоб виробляти H+іон. Виробництво оцтової кислоти - це зелений процес, який використовує біологічні реакції, що діють на відновлювану сировину біомаси. Як слабка кислота оцтова кислота відносно безпечна у використанні, а контакт з людиною зазвичай не дуже небезпечний (ми вживаємо в їжу розведену оцтову кислоту як оцет, але чиста оцтова кислота атакує м'якоть і використовується для видалення бородавок зі шкіри). Ще однією перевагою оцтової кислоти є те, що вона біологічно розкладається, тому будь-яка з неї, що виділяється в навколишнє середовище, не зберігається.

Основи

Основа або містить гідроксид-іон, ОН ^-, або реагує з водою з отриманням гідроксиду. Більшість основ, що містять гідроксид, складаються з катіонів металів та гідроксиду; прикладами є гідроксид натрію, NaOH та гідроксид кальцію, Ca (OH) ₂. Найпоширенішим основним речовиною, що виробляє гідроксид у воді, є аміак, NH ₃, який вступає в реакцію з водою наступним чином:

\[NH_{3} + H_{2}O \rightarrow NH_{4}^{+} + OH^{-}\]

Лише мала частка молекул аміаку проходить цю реакцію у воді, тому аміак не виробляє багато Oh-in води і відомий як слабка основа. Гідроксиди металів, такі як КОН, які повністю дисоціюють у воді, є міцними основами. Гідроксиди металів називаються металом, а потім «гідроксид». Тому Mg (OH) ₂ є гідроксидом магнію.

Солі

Кислоти та основи реагують, утворюючи сіль, іонну сполуку, яка має катіон, відмінний від H+і аніон, відмінний від ОН ^-. Цей вид реакції завжди виробляє воду і відомий як реакція нейтралізації. Найбільш відома сіль - хлорид натрію, NaCl. Хоча це зазвичай те, що один означає, посилаючись на «сіль», є багато інших солей, а також. До них відносяться хлорид кальцію, CaCl ₂, що використовується для танення дорожнього льоду, карбонат натрію, Na ₂ CO ₃, що використовується в очисних складах і хлорид калію, KCl, джерело калійного добрива для сільськогосподарських культур. Типовою реакцією нейтралізації є реакція між NaOH та соляною кислотою, HCl, для отримання хлориду натрію:

\[\underbrace{NaOH}_{\textrm{Base}} + \underbrace{HCl}_{\textrm{acid}} \rightarrow \underbrace{NaCl}_{\textrm{a salt, sodium chloride}} + \underbrace{H_{2}O}_{\textrm{water}}\]

Солі називаються дуже просто лише з назвою катіона, а потім аніон. Заряди іонів визначають формули солей, тому додавати приставки для позначення відносних чисел кожного іона не потрібно. Тому CaCl ₂ - це просто хлорид кальцію, а не дихлорид кальцію. Як зазначалося раніше в цьому розділі, префікси додаються в назвах солей, які містять більше 1 виду катіону або більше 1 виду аніону, щоб показати відносну кількість іонів. Як приклад, KH ₂ PO ₄ називається дигідрофосфатом калію.