Кислоты почему они так интересны. Образование нерастворимых солей. История изучения кислот

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 сложные химические соединения, в основе которых содержится один или несколько атомов водорода и кислотный остаток. Слово «кислота» по значению связано со словом «кислый», так как имеют общий корень. Отсюда следует, что растворы всех кислот имеют кислый вкус. Несмотря на это, не все растворы кислот можно пробовать на вкус, так как некоторые из них относятся к едким и ядовитым растворам. Кислоты, благодаря своим свойствам, широко применяются в быту, медицине, промышленности и других сферах.

История изучения кислот

Человечеству кислоты были известны еще с древних времен. Очевидно, первой кислотой, полученной человеком в результате брожения (окисления на воздухе) вина, стала уксусная кислота. Уже тогда были известны некоторые свойства кислот, которые применялись для растворения металлов, получения минеральных пигментов, например: карбоната свинца. В период средневековья алхимики «открывают» новые кислоты - минерального происхождения. Первую попытку объединить все кислоты общим свойством сделал физикохимик Сванте Аррениус (Стокгольм, 1887 год). В настоящее время наука придерживается теории кислот и оснований Брёнстеда — Лоури и Льюиса, основанная в 1923 году.

Щавелевая кислота (этандиовая кислота) относится к сильным органическим кислотам и обладает всеми свойствами карбоновых кислот. Она представляет собой бесцветные кристаллы, которые хорошо растворяются в воде, неполностью в этиловом спирте и нерастворимы в бензоле. В природе щавелевая кислота встречается в таких растениях, как: щавель, карамболь, ревень 3уи др.

Применение:

В химической промышленности (для изготовления чернил, пластмассы);

В металлургии (для очистки ржавчины, накипи);

В текстильной промышленность (при покраске мехов и тканей);

В косметологии (отбеливающее средство);

Для очистки и снижения жесткости воды;

В медицине;

В фармакологии.

Щавелевая кислота ядовита и токсична, при попадании на кожу, слизистые оболочки и органы дыхания вызывает раздражение.

В нашем интернет-магазине можно щавелевую кислоту купить всего за 258 руб.

Салициловая кислота - это кристаллический порошок, который хорошо растворяется в спирте, но плохо в воде. Впервые был получен из коры ивы (откуда и получила свое название) химиком Рафаэлем Пириа в 1838 году в Италии.

Широко применяется:

В фармакологии;

В медицине (противовоспалительное, ранозаживляющее, антисептическое средство для лечения ожогов, бородавок, угревой сыпи, экземы, выпадения волос, обильного потовыделения, ихтиоза, мозолей, отрубевидных лишаев и т.д.);

В косметологии (как отшелушивающее, антисептическое средство);

В пищевой промышленности (при консервировании продуктов).

При передозировке данная кислота убивает полезные бактерии, пересушивает кожу, что может спровоцировать появление угрей. В качестве косметологического средства не рекомендуется использовать больше одного раза в день.

Салициловая кислота цена всего за 308 руб.

Борная кислота (ортоборная кислота) имеет вид блестящего кристаллического порошка, жирного на ощупь. Относится к слабым кислотам, лучше растворяется в горячей воде и в растворах солей, менее - в холодной воде и минеральных кислотах. В природе встречается в виде минерала сассолина, в минеральных водах, природных рассолах и горячих источниках.

Применяется:

В промышленности (при изготовлении эмали, цемента, моющих средств);

В косметологии;

В сельском хозяйстве (в качестве удобрения);

В лабораториях;

В фармакологии и медицине (антисептик);

В быту (для борьбы с насекомыми);

В кулинарии (при консервировании и в качестве пищевой добавки).

Борную кислоту купить в Москве всего за 114 руб.

Лимонная кислота - это пищевая добавка (Е330/ Е333) в виде белого кристаллического вещества. Хорошо растворяется как в воде, так и в этиловом спирте. В природе она содержится во многих цитрусовых плодах, ягодах, хвое и др. Лимонная кислота впервые была получена из сока незрелых лимонов фармацевтом Карл Шееле (Швеция, 1784 год).

Лимонная кислота нашла свое применение:

В пищевой промышленности (как ингредиент в приправах, соусах, полуфабрикатах);

В нефтяной и газовой промышленности (при бурении скважин);

В косметологии (в кремах, шампунях, лосьонах, средствах для ванн);

В фармакологии;

В быту (при изготовлении моющих средств).

Однако при попадании концентрированного раствора лимонной кислоты на кожу, слизистую оболочку глаз или зубную эмаль может нанести вред.

Лимонная кислота купить на нашем сайте от 138 руб.

Молочная кислота - это прозрачная жидкость со слабовыраженным запахом, которая относится к пищевым добавкам (Е270). Впервые молочная кислота, также как и лимонная, была получена химиком Карлом Шееле. В настоящее время ее получают в результате брожения молока, вина или пива.

Применение:

В промышленности (для приготовления сыра, майонеза, йогурта, кефира, кондитерских изделий);

В сельском хозяйстве (для приготовления кормов);

В ветеринарии (антисептик);

В косметологии (отбеливающее средство).

При работе с молочной кислотой нужно соблюдать меры предосторожности, так как она может вызвать сухость кожи, некроз слизистой оболочки глаз и др..

Молочную кислоту купить прямо сейчас за 129 руб.

Магазин химических реактивов в Москве розница «Прайм Кемикалс Групп» - это отличный выбор лабораторного оборудования и химических реактивов по доступным ценам.

План:

Введение

• 1 Определение кислоты
• 2 Классификация кислот
• 3 Химические свойства кислот
• 4 Некоторые распространённые кислоты
  • 4.1 Неорганические (минеральные) кислоты
  • 4.2 Органические кислоты
• 5 Интересные факты
Примечания

Введение

Кисло́ты - сложные вещества, которые состоят из атомов водорода, способных замещаться на атомы металлов, и кислотных остатков. Они получили своё название из-за кислого вкуса большинства кислот. В водных растворах они диссоциируют на катион водорода (протон) и анион кислотного остатка.

По определению Льюиса, кислота - это электролит (вещество, участвующее в реакциях с переходом электрона), принимающий электронную пару в реакции с основанием, то есть веществом, отдающим электронную пару (см. кислота Льюиса). В теории Бренстеда-Лоури, кислота - вещество, отдающее протон (основание - вещество, принимающее протон).

В рамках теории электролитической диссоциации кислота - это электролит, при электролитической диссоциации которого из катионов образуются лишь катионы водорода.

Соляная кислота (в стакане)

1. Определение кислоты

В 1778 французский химик Антуан Лавуазье предположил, что кислотные свойства обусловлены наличием в молекуле атомов кислорода. Эта гипотеза быстро доказала свою несостоятельность, так как многие кислоты не имеют в своём составе кислорода, в то время как многие кислородсодержащие соединения не проявляют кислотных свойств. Тем не менее, именно эта гипотеза дала название кислороду как химическому элементу.

В 1839 немецкий химик Юстус Либих дал такое определение кислотам: кислота - это водородосодержащее соединение, водород которого может быть замещён на металл с образованием соли .

Первую попытку создать общую теорию кислот и оснований предпринял шведский физикохимик Сванте Аррениус. Согласно его теории, сформулированной в 1887, кислота - это соединение, диссоциирующее в водном растворе с образованием протонов (ионов водорода H +) . Теория Аррениуса быстро показала свою ограниченность, она не могла объяснить многих экспериментальных фактов. В наше время она имеет главным образом историческое и педагогическое значение.

В настоящее время наиболее распространены три теории кислоты и оснований. Они не противоречат друг другу, а дополняют.

• По теории сольвосистем , начало которой положили работы американских химиков Кэди и Франклина, опубликованные в 1896-1905 гг., кислота - такое соединение, которое даёт в растворе те положительные ионы, которые образуются при собственной диссоциации растворителя (Н 3 О + , NH 4 +) . Это определение хорошо тем, что не привязано к водным растворам.
• По протонной теории кислот и оснований , выдвинутой в 1923 г. независимо датским учёным Йоханнесом Брёнстедом и английским учёным Томасом Лоури, кислоты - водородсодержащие вещества, отдающие при реакциях положительные ионы водорода - протоны . Слабость этой теории в том, что она не включает в себя не содержащие водорода вещества, проявляющие кислотные свойства, так называемые апротонные кислоты.
• По электронной теории , предложенной в 1923 г. американским физикохимиком Гилбертом Льюисом, кислота - вещество, принимающее электронные пары, то есть акцептор электронных пар . Таким образом, в теории Льюиса кислотой могут быть как молекула, так и катион, обладающие низкой по энергии свободной молекулярной орбиталью.
• Пирсон модифицировал теорию Льюиса с учётом характеристик орбиталей-акцепторов, введя понятие жёстких и мягких кислот и оснований (принцип Пирсона или принцип ЖМКО). Жёсткие кислоты характеризуются высокой электроотрицательностью и низкой поляризуемостью атома, несущего свободную орбиталь, мягкие кислоты, соответственно, характеризуются низкой электроотрицательностью и высокой поляризуемостью атома, несущего свободную орбиталь.

Следует также отметить, что многие вещества проявляют амфотерные свойства, то есть ведут себя как кислоты в реакциях с основаниями и как основания - в реакциях с более сильной кислотой.

2. Классификация кислот

• По содержанию кислорода
  • бескислородные (HCl, H 2 S);
  • кислородосодержащие (HNO 3).
• По основности - количество кислых атомов водорода
  • Одноосновные (HNO 3);
  • Двухосновные (H 2 SeO 4 , Азелаиновая кислота);
  • Трёхосновные (H 3 PO 4 , H 3 BO 3).
  • Четырёхосновные (H 4 CO 4).
  • Шестиосновные
• По силе
  • Сильные - диссоциируют практически полностью, константы диссоциации больше 1×10 −3 (HNO 3);
  • Слабые - константа диссоциации меньше 1×10 −3 (уксусная кислота K д = 1,7×10 −5).
• По устойчивости
  • Устойчивые (H 2 SO 4);
  • Неустойчивые (H 2 CO 3).
• По принадлежности к классам химических соединений
  • Неорганические (HBr);
  • Органические (HCOOH);
• По летучести
  • Летучие (H 2 S, HCl);
  • Нелетучие (H 2 SO 4) ;
• По растворимости в воде
  • Растворимые (H 2 SO 4);
  • Нерастворимые (H 2 SiO 3);

3. Химические свойства кислот

• Взаимодействие с основными оксидами с образованием соли и воды:

• Взаимодействие с амфотерными оксидами с образованием соли и воды:

• Взаимодействие со щелочами с образованием соли и воды (реакция нейтрализации) :

• Взаимодействие с нерастворимыми основаниями с образованием соли и воды, если полученная соль растворима:

• Взаимодействие с солями, если выпадает осадок или выделяется газ:

• Сильные кислоты вытесняют более слабые из их солей:

(в данном случае образуется непрочная угольная кислота , которая сразу же распадается на воду и углекислый газ)

• С азотной кислотой и концентрированной серной кислотами реакция идёт иначе:

• Для органических кислот характерна реакция этерификации (взаимодействие со спиртами с образованием сложного эфира и воды):

Например,

4. Некоторые распространённые кислоты

4.1. Неорганические (минеральные) кислоты

• Азотистая кислота
• Азотная кислота
• Борная кислота
• Бромоводородная кислота
• Йодоводородная кислота
• Йодноватая кислота
• Иодная кислота
• Серная кислота
• Соляная кислота
• Ортофосфорная кислота
• Ортокарбоновая кислота
• Сернистая кислота
• Сероводородная кислота
• Фтороводородная кислота
• Хлорноватистая кислота
• Хлорноватая кислота
• Хлористая кислота
• Хлорная кислота
• Кремниевая кислота
• Марганцовая кислота
• Угольная кислота
• Синильная кислота
• Плавиковая кислота
• Роданистоводородная кислота
• Тиосерная кислота
• Мышьяковая кислота
• Молибденовая кислота
• Технециевая кислота (пертехнециевая кислота)
• Полониевая кислота
• Плутониевая кислота (H 2 PuO 4)
• Метафосфорная кислота
• Хромовая кислота

4.2. Органические кислоты

• Адипиновая кислота
• Азелаиновая кислота
• Акриловая кислота
• Аконитовая кислота
• Аскорбиновая кислота (витамин C)
• Валериановая кислота
• Винная кислота
• Гиалуроновая кислота
• Дезоксирибонуклеиновая кислота(ДНК)
• Капроновая кислота
• Лауриновая кислота
• Лизергиновая кислота
• Лимонная кислота
• Масляная кислота
• Малоновая кислота
• Молочная кислота
• Мочевая кислота
• Муравьиная кислота
• Олеиновая кислота
• Пальмитиновая кислота
• Пировиноградная кислота
• Пропионовая кислота
• Салициловая кислота
• Стеариновая кислота
• Уксусная кислота
• Щавелевая кислота
• Яблочная кислота
• Янтарная кислота

5. Интересные факты

• Подземное животное голый землекоп имеет нечувствительные к кислоте клетки кожи даже при pH менее 3,5.
• У крокодила в желудке pH бывает меньше 0,5.

Кислоты

Кислоты представляют собой химически сложные вещества, молекулы которых состоят из кислотного остатка и атомов Н водорода (одного или нескольких). Недаром слова «кислый» и «кислота» - однокоренные: по своим вкусовым качествам все кислоты имеют кислый привкус, что совсем не означает, что кислотные составы можно пробовать. Среди них, большая половина - едкие, а остальные даже токсичные. Есть, конечно, и исключения – уксусная, лимонная, яблочная, аскорбиновая и щавелевая, которые знакомы каждому с детства, и их успешно используют в пищевой промышленности.

Какого бы происхождения ни была кислота (природного или синтетического), она всегда в своей структуре будет иметь определенное количество атомов водорода, которые могут вступать в реакционные соединения. В ходе химической реакции каждая молекула кислоты будет отдавать атомы водорода, а взамен будет принимать атомы различных металлов. Так происходит замещение.

Кислоты принято классифицировать по двум признакам:

1.­­ ­или есть атомы кислорода в молекуле,
2.­­ ­по количеству водородных атомов, которые способны замещаться на атомы металлов.

Первая группа, в свою очередь, имеет две подгруппы:

­- бескислородные кислоты (фтороводородная кислота HF, соляная HCl, бромоводородная HBr, иодоводородная HI, сероводородная H 2 S).
­- кислородосодержащие кислоты (серная H 2 SO 4 , сернистая H 2 SO 3 , фосфорная H 3 PO 4 , угольная H 2 CO 3 , азотная HNO 3 , кремниевая H 2 SiO 3).

Вторая группа тоже имеет несколько подгрупп:

­- одноосновные кислоты (имеют 1 атом водорода),
­- двухосновные кислоты (имеют 2 атома водорода),
­- трехосновные кислоты (имеют 3 атома водорода).

Химические свойства кислот описываются следующими правилами:

1.­­ ­Кислоты взаимодействуют с основаниями, образуя соль, которая всегда будет содержать неизменный кислотный остаток. Эта реакция получила название нейтрализации. Второй продукт, образующийся в ходе протекания реакции нейтрализации, это – вода.

Чтобы нейтрализация состоялась, требуется выполнить следующее условие: хотя бы один из компонентов должен хорошо растворяться в воде. А так как кислоты отлично соответствуют этому параметру, они могут взаимодействовать как с нерастворимыми, так и с растворимыми основаниями. Исключение – кремниевая кислота, которая практически не растворяется в воде, поэтому может вступать в реакцию только с растворимыми основаниями (KOH, NaOH).

2.­­ ­Растворы кислот действуют на индикаторы (специальные вещества), изменяя их окраску в воде. Кислоты изменяют цветовую окраску индикатора в один определенный цвет, поэтому всегда можно точно определить, что в составе вещества присутствует кислота.­ Так, лакмус и оранжевый метиловый станут красными.

Индикаторы – вещества довольно сложного строения. В основаниях и нейтральных растворах они будут совсем другого цвета, чем в кислотной среде.

3.­­ ­Кислоты реагируют с металлами при выполнении такого условия:

­- металл по шкале активности должен быть максимально реакционноспособным. Так серебро, золото и медь с кислотой реагировать не будут, а цинк, кальций и натрий, наоборот, будут взаимодействовать очень активно. Причем будет выделяться много газов водорода и большое количество тепла.

Некоторые металлы будут вступать в реакцию только с разбавленными кислотами. Если же кислоты концентрированные (безводные), то никакого замещения не произойдет.

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.