Доклад на тему «Кислоты в химии» (8 класс)

Введение

Лимон кислый, щавель кислый, кефир и квашеная капуста тоже, и всё это благодаря кислотам. Они есть в уксусе, которым заправляют салат, в газировке, в аскорбинке из аптеки. Соляную кислоту каждый из нас вырабатывает сам: она входит в состав желудочного сока и помогает переваривать мясо. А в автомобильном аккумуляторе плещется раствор серной кислоты. Само русское слово «кислота» напоминает о том, как люди впервые отличили эти вещества, — по вкусу.

В 8 классе кислоты проходят как один из четырёх главных классов неорганических веществ, вместе с оксидами, основаниями и солями. Без них не решить задачи на уравнения реакций и не разобраться в теме растворов, но пригодятся они и дома. Средства для удаления ржавчины, накипи и известкового налёта в ванной часто содержат кислоты, и тот, кто знает их свойства, не станет мыть такими средствами мраморную столешницу и не забудет про перчатки.

Цель доклада — рассказать, что такое кислоты, как их классифицируют и какими свойствами они обладают. Первая глава посвящена составу кислот, их классификации, распознаванию и истории изучения, вторая — химическим свойствам и применению. Материал взят из учебников химии О. С. Габриеляна и Г. Е. Рудзитиса для 8 класса и справочника Р. А. Лидина.

Глава 1. Состав и классификация кислот

1.1 Что такое кислоты

В школьном курсе химии кислотами называют сложные вещества, молекулы которых состоят из одного или нескольких атомов водорода и кислотного остатка. Атомы водорода в кислотах способны замещаться атомами металлов, и в результате образуются соли. Например, в соляной кислоте HCl один атом водорода и кислотный остаток Cl, а в серной кислоте H₂SO₄ два атома водорода и кислотный остаток SO₄.

Позднее, при изучении растворов, учащиеся знакомятся с более точным определением, которое дал шведский учёный Сванте Аррениус в конце XIX века. Согласно его теории электролитической диссоциации, кислоты — это вещества, которые в водном растворе распадаются на катионы водорода и анионы кислотного остатка. Именно ионы водорода придают растворам кислот общие свойства: кислый вкус, способность изменять цвет индикаторов и реагировать с металлами.

Формулу кислоты легко узнать с первого взгляда: в ней впереди стоит водород, за ним кислотный остаток. Сколько в молекуле атомов водорода, такова и валентность остатка. У Cl в соляной кислоте валентность один, у SO₄ в серной два, у PO₄ в фосфорной три, и это пригодится, когда понадобится составить формулу соли, например сульфата натрия Na₂SO₄. Самые важные кислоты курса 8 класса собраны в таблице 1.

Таблица 1 — Важнейшие неорганические кислоты

1.2 Классификация кислот

Кислоты классифицируют по нескольким признакам. По наличию кислорода в молекуле их делят на кислородсодержащие и бескислородные. К кислородсодержащим относятся серная, азотная, фосфорная и угольная кислоты, а к бескислородным соляная и сероводородная. Названия бескислородных кислот образуются от названия неметалла с добавлением слова «водородная», например хлороводородная, а кислородсодержащих от названия элемента с окончаниями -ная или -истая.

Если считать атомы водорода, которые металл может «вытеснить» из молекулы, получится второе деление: на одноосновные, двухосновные и трёхосновные кислоты. HCl и HNO₃ одноосновные, H₂SO₄ и H₂CO₃ двухосновные, H₃PO₄ трёхосновная. От основности зависит, сколько солей способна дать кислота: у серной есть не только сульфаты, но и гидросульфаты, например питьевая сода NaHCO₃ — это гидрокарбонат, кислая соль угольной кислоты.

Кислоты различаются и по другим свойствам. Сильные кислоты, такие как соляная, серная и азотная, в растворе почти полностью распадаются на ионы, а слабые, например угольная и сероводородная, лишь частично. Одни кислоты устойчивы, другие, как угольная, существуют только в растворе и легко разлагаются на углекислый газ и воду, поэтому газированная вода и выдыхается. Наконец, различают летучие кислоты, например соляную, которая имеет резкий запах, и нелетучие, такие как серная и фосфорная.

1.3 Как распознать кислоту

Пробовать кислоты на вкус в лаборатории категорически нельзя: многие из них вызывают сильные ожоги. Для их распознавания используют индикаторы, то есть вещества, которые меняют цвет в зависимости от среды раствора. В кислой среде фиолетовый лакмус становится красным, оранжевый метилоранж розово-красным, а фенолфталеин остаётся бесцветным. Индикатором может служить даже сок краснокочанной капусты или чай с лимоном: при добавлении кислоты его цвет заметно светлеет.

Насколько кислой является среда, показывает водородный показатель pH. Для чистой воды он равен 7, для кислых растворов меньше 7, и чем ниже значение, тем кислее раствор. Значения pH некоторых знакомых жидкостей показаны на рисунке 1. Они приблизительны, поскольку зависят от концентрации и состава конкретного продукта.

По рисунку видно, что самой кислой из перечисленных жидкостей является желудочный сок, pH которого составляет около 1,5–2. Лимонный сок, уксус и сладкие газированные напитки тоже заметно кислые, а молоко лишь немного отличается от нейтральной воды. Шкала pH логарифмическая: раствор с pH 2 в десять раз кислее раствора с pH 3 и в сто раз кислее раствора с pH 4. Поэтому разница между лимонным соком и кофе гораздо больше, чем кажется по цифрам.

1.4 Из истории изучения кислот

Некоторые кислоты люди знали задолго до появления химии как науки. Уксус получали из скисшего вина ещё в древности, а средневековые алхимики научились добывать серную кислоту, которую называли купоросным маслом, азотную кислоту, или «крепкую водку», и смесь азотной и соляной кислот, способную растворять золото. Эту смесь назвали «царской водкой», потому что она справлялась с «царём металлов».

Первую научную теорию кислот предложил французский химик Антуан Лавуазье в конце XVIII века. Он считал, что все кислоты содержат кислород, и даже назвал этот элемент «оксигеном», что в переводе с греческого означает «рождающий кислоты». Русское название «кислород» представляет собой перевод того же слова. Однако в 1810 году английский химик Хамфри Дэви доказал, что соляная кислота кислорода не содержит, и стало ясно, что главную роль в кислотах играет водород.

В 1887 году Сванте Аррениус объяснил свойства кислот распадом их молекул в воде на ионы, и за теорию электролитической диссоциации в 1903 году получил Нобелевскую премию. Позднее, в 1923 году, датчанин Йоханнес Брёнстед и англичанин Томас Лоури независимо друг от друга предложили ещё более общее определение: кислотой называют вещество, которое отдаёт протон, то есть ион водорода, другому веществу. Эту теорию изучают уже в старших классах и в вузе, но она выросла из тех же наблюдений, с которых начинается знакомство с кислотами в 8 классе.

Эта история хорошо показывает, как вообще устроена наука. Ни одна новая теория не выбросила предыдущую целиком: Лавуазье был прав в том, что кислорода во многих кислотах действительно много, Дэви показал, что дело всё-таки в водороде, Аррениус объяснил, при чём тут ионы, а Брёнстед и Лоури распространили понятие кислоты даже на реакции без воды.

1.5 Кислоты в природе и правила безопасности

Живая природа полна кислот. Лимонной кислотой богаты не только лимоны, но и чёрная смородина, яблочной — яблоки и рябина, щавелевой — щавель и ревень. Муравьиную кислоту впервые получили в XVII веке, перегоняя рыжих лесных муравьёв, и она же жжёт кожу, если задеть крапиву. Молочная кислота делает кислым скисшее молоко и квашеную капусту, а уксусная образуется, когда скисает вино. Всё это органические кислоты, и подробно их изучают уже в 10 классе.

В школьной лаборатории с кислотами работают по строгим правилам. Наливают их только в пробирки и химические стаканы, работают в очках и перчатках, а если кислота попала на кожу, её сразу смывают большим количеством проточной воды. Самое известное правило касается разбавления концентрированной серной кислоты: кислоту тонкой струйкой вливают в воду, и ни в коем случае не наоборот, иначе вода от выделившегося тепла вскипит и разбрызгает кислоту. Запомнить порядок помогает присказка «сначала вода, потом кислота».