Кислоты

Как так получается: уксус можно хранить в стеклянной бутылке, спрыскивать им картофельные чипсы и есть их, а фторсурьмяная кислота съедает саму бутылку? Все дело в одном маленьком ионе, который есть в каждой кислоте - от соляной у вас в желудке до сильнейших на свете сверхкислот.

Гемфри Дэви [Хамфри Дейви] начинал неприметным помощником аптекаря, а прославился тем, что предлагал добропорядочным людям вдыхать веселящий газ. Родился он в Пензансе, Корнуолл, в душе был человеком книжным и дружил с лучшими поэтами-романтиками Англии — Робертом Саути и Сэмюэлом Тейлором Колриджем, — но карьеру сделал все же в химии. Он поступил на службу химиком в Бристоле, где опубликовал работу, обеспечившую ему преподавательскую должность, а позднее — и место профессора химии в Королевской ассоциации в Лондоне.

Гемфри Дэви

Роберт Саути

Сэмюэл Тейлор Кольридж

На карикатурах XIX века Дэви развлекает публику на лекциях при помощи мехов с оксидом диазота — веселящим газом, хотя на самом деле он предлагал применять этот лечебный газ как анестетик. В свободное от лекций время Дэви занимался передовыми исследованиями в электрохимии. Не он первым понял, что электричеством можно разделять вещество на составляющие его ионы, но он все же с пользой применил разработанные им методы — открыл калий и натрий. А еще он проверил теорию, выдвинутую одним из величайших людей в химии — Антуаном Лавуазье. Лавуазье принял смерть (от гильотины Французской революции) за несколько лет до этого. И хотя помнят его за многочисленные прозрения — в том числе за предположение, что вода состоит из кислорода и водорода, — по крайней мере, в одном он ошибался. Лавуазье считал, что кислород, элемент, который сам же и назвал oxygen («порождающий кислоты»), сообщает кислотам их кислотность. Но Дэви опроверг это утверждение. Применив электролиз, он разъял соляную кислоту на составляющие и выяснил, что в ее состав входят лишь водород и хлор. В этой кислоте нет кислорода. Соляная кислота найдется на полке в любой химической лаборатории, и именно эта (хлороводородная) кислота помогает нам усваивать съеденное.

«Акулой я брошусь в химию» Сэмюэл Тейлор Колридж (1772-1834), английский поэт, друг Гемфри Дэви (1778-1829)

Антуан Лавуазье

Водород, а не кислород

В 1810 году Дэви пришел к выводу, что кислород определяющим кислотные свойства вещества быть не может. На создание первой по- настоящему современной теории кислот потребовалось почти сто лет, и выдвинул ее шведский химик Сванте Аррениус, за что позднее получил Нобелевскую премию. Аррениус предположил, что кислоты — это вещества, которые при растворении в воде выделяют водород в виде положительно заряженного иона (Н⁺). А еще он утверждал, что щелочные вещества при растворении в воде выделяют гидроксильные ионы (ОН^-). Хотя Аррениусово определение оснований позднее пересмотрели, главное положение его теории — кислоты как доноры ионов водорода — по-прежнему есть фундамент нашего понимания кислот.

Слабые и сильные кислоты

Ныне кислоты определяются как доноры, а основания — как акцепторы протонов. (Вспомним, что в этом контексте «протон» — это водородный атом, у которого отняли единственный электрон, и получился ион, то есть кислоты отдают ионы водорода, а основания — принимают.) Сила кислоты — мера легкости, с которой она отдает протон. Уксусная, или этановая, кислота (СН₃СООН), которой вы спрыскиваете картошку, — кислота довольно слабая, поскольку в любой момент времени довольно много молекул в ее растворе находятся в нерасщепленном состоянии. Протоны непрестанно отваливаются и присоединяются обратно, и так образуется равновесная смесь.

Соляная кислота Дэви (НСl), напротив, протоны отдает охотно. Вся хлороводородная кислота, растворенная в воде, превращается в ионы водорода (Н⁺) и хлора (Сl^-), иными словами — полностью ионизируется.

Сила кислоты — не то же самое, что ее концентрация. Если взять одно и то же число молекул кислоты и растворить в одном и том же объеме воды, сильная кислота вроде соляной распадется на ионы сильнее, чем слабая кислота, и поэтому концентрация ионов водорода в растворе сильной кислоты выше. Однако можно разбавить соляную кислоту большим количеством воды, и тогда она станет слабее уксусной. Химики измеряют концентрацию кислот по шкале pH. Хоть оно и путает, но все-таки: чем ниже pH, тем выше концентрация ионов водорода, — чем концентрированнее кислота, тем ниже у нее pH и тем она кислее.

Сверхкислоты

Общеизвестное замечательное свойство кислот: ими можно растворять что угодно — хоть стол, хоть овощ, хоть, как популярно показали нам в сериале «Во все тяжкие», целое тело в ванне. Вообще-то, плавиковая (фтороводородная) кислота пол в ванной эдак запросто не разъест и целое тело в кашу мгновенно не растворит, как нам рассказывают в телевизоре, но, конечно, ожог, если облиться ею, останется.

Хотите по-настоящему зверскую кислоту — берите плавиковую и смешайте с пентафторидом сурьмы. Получится фторсурьмяная кислота, и вот она такая кислая, что вываливается за край шкалы pH. До того она едкая, что хранить ее приходится в тефлоне — материале нерушимой стойкости благодаря едва ли не крепчайшим в химии связям углерод-фтор. Такое вещество называется сверхкислотой (или суперкислотой).

Некоторые сверхкислоты способны разъедать стекло. Как ни странно, карборановые сверхкислоты, одни из самых сильных, можно хранить в обычной стеклянной бутылке. Все потому, что коррозионные свойства кислоты определяют не ионы водорода, то есть не кислотность по Аррениусу, а другие частицы. Плавиковая кислота разъедает стекло содержащимися в ней ионами фтора. В карборановых кислотах, которые сильнее плавиковой, отрицательно заряженные ионы не имеют коррозионного действия.

Моль

У химиков занятное представление о количествах. Они частенько не взвешивают что-то, а хотят знать, сколько именно частиц в том или ином образце вещества. Определенное количество частиц, равное числу атомов в 12 граммах обычного угля, они именуют молем. И поэтому, если на бутылке с кислотой написано 1М (одномолярная), это значит, что в этой бутылке содержится 6,02х10²³ частиц кислоты на литр. К счастью, пересчитывать частицы вручную не приходится. У веществ есть «молярная масса» - масса одного моля этого вещества.

Основания

По pH-шкале основаниями считаются вещества, у водных растворов которых pH выше 7, а pH = 7 - серединная точка шкалы от 0 до 14 (хотя существуют среды, в которых pH отрицательный или превышает 14). Хорошо растворимые в воде основания называются щелочами. Вещества со щелочными свойствами включают в себя аммиак и кухонную соду. Проведенное шведскими учеными в 2009 году исследование показало, что вещества с щелочными свойствами, так же, как и фруктовые соки (с кислотными), могут вредить здоровью зубов. Отчего обычай чистить зубы содой - чтобы нейтрализовать кислоты - видится несколько устаревшим. Поскольку pH-шкала - логарифмическая, увеличение всего на единицу означает, что вещество в десять раз щелочнее, и наоборот. То есть вещества с pH = 14 в десять раз щелочнее, чем вещества с pH = 13, а кислоты с pH = 1 в десять раз кислотнее тех, у которых pH = 2.