Они представляют собой чрезвычайно важную группу химических соединений со специфическими свойствами. Их характерной особенностью является наличие по крайней мере одного атома кислорода в группировке кислотного остатка. Они являются важным сырьем во многих промышленных процессах. Они применяются в химической, фармацевтической, бумажной и других отраслях промышленности.
Структура и получение оксокислот
Оксокислоты состоят из трех основных элементов: атома кислорода, кислотообразующего элемента и по крайней мере одного атома водорода, связанного с кислородом. Центральный атом обычно является неметаллом, таким как сера, азот или фосфор. Это так называемые кислотообразующие элементы. Это могут быть также некоторые металлы в более высокой степени окисления, например, марганец (VII). Номенклатура оксокислот формируется из названия кислотообразующего элемента с указанием его валентности в скобках и добавлением окончания -ная — фосфорная кислота, серная кислота (VI), азотная кислота (V) и т. д. Если данный элемент присутствует более чем в одной оксокислоте, то его валентность обязательно должна быть указана в названии кислоты.
Производство оксокислот в основном основано на реакции кислотных ангидридов с водой. Ангидриды представляют собой окиси соответствующих неметаллов (или определенных металлов). Получение оксокислот в этом случае может происходить в два этапа. На первом этапе радиоактивный элемент сжигается в кислороде. Примером такой реакции является сжигание фосфора (образующего четырехатомные молекулы). Возникает окись фосфора (V) в виде белых паров. Полученный кислотный ангидрид затем растворяют в воде с образованием фосфорной кислоты (V). Если в систему добавить метилоранж (индикатор), раствор окрасится в красный цвет — образовавшаяся кислота понизила pH раствора. Другим способом получения оксокислот являются реакции (двойного) обмена. Воздействуя сильной кислотой на определенную соль, можно вытеснить слабую кислоту из ее соли.
Оксокислоты — характеристики
Оксокислоты относятся к так называемым электролитам, то есть соединениям, обладающим способностью проводить электричество. В зависимости от кислоты они в различной степени подвергаются электролитической диссоциации в воде. В водных растворах оксокислоты диссоциируют на положительные ионы (катионы) и отрицательные ионы (анионы). Они обладают способностью переносить электрические заряды. Кислоты делятся на:
- сильные — в водных растворах они полностью диссоциируют на катионы водорода и анионы кислотного остатка. К сильным оксокислотам относятся серная кислота (VI), азотная кислота (V), хлорная кислота (VII).
- слабые — подвергаются неполной электролитической диссоциации. В водных растворах большинство их молекул остаются недиссоциированными. Кислоты элементов с более низкой степенью окисления обычно имеют малую силу, например, серная (IV) или азотная (III) кислота. Самой слабой окислительной кислотой является угольная кислота — H2CO3. Она очень нестабильна. И часто вытесняется из растворов более сильными кислотами.
Сила оксокислот тем выше, чем больше электроотрицательность центрального атома, образующего кислотный остаток данной кислоты. Для кислот одного и того же элемента его сила возрастает по мере увеличения числа атомов кислорода в молекуле.
Кроме того, сила оксокислоты может быть определена по ее способности диссоциировать ионы водорода (число ступеней диссоциации). Однопротонные кислоты (обладающие одним катионом водорода) диссоциируют за один этап, в то время как многопротонные кислоты (имеющие более одного водорода в молекуле) диссоциируют за несколько этапов. Для каждой из них можно написать уравнение равновесия. Первый этап всегда самый быстрый. Диссоциированные атомы водорода соединяются с молекулами воды, образуя оксониевые ионы (H3O+). Они вызывают кислотную реакцию водных растворов кислот.
Оксониевые кислоты реагируют с основными оксидами и гидроксидами. Эти реакции приводят к образованию соответствующих солей и воды. Важно отметить, что оксокислоты не реагируют с оксидами кислотного характера. Они реагируют с химически активными металлами (например, литием или бериллием). Эти металлы вытесняют водород из молекул кислот и образуют соли. Точно так же с оксокислотами не реагируют благородные металлы (химически малоактивные). Они не вытесняют из них атомы водорода. Они реагируют только с оксокислотами, т. е. с концентрированным раствором серной кислоты (VI) или азотной кислоты (V).
Свойства и применение некоторых оксокислот
Является сильной кислотой с маслянистой консистенцией. Ее плотность почти вдвое превышает плотность воды — 1,84 г/см3. Она смешивается с ней практически в любом соотношении с выделением большого количества тепла. Кислота обладает высокой гигроскопичностью. В продаже доступен 98 %-ный раствор серной кислоты (VI). Олеум представляет собой раствор оксида серы (VI) — SO3 в серной (VI) кислоте.
H2SO4 является ключевым промежуточным продуктом в промышленности. Он применяется при производстве удобрений (например, суперфосфата), других кислот (например, муравьиной), моющих средств, взрывчатых веществ, пестицидов, резины, бумаги и многого другого.
Азотная кислота (V) — это бесцветная жидкость, которая хорошо растворяется в воде. Концентрированные растворы (около 68 %) обладают сильными окислительными свойствами. HNO3 вызывает характерное пожелтение белков (ксантопротеиновая реакция). Концентрированная азотная кислота (V) дымит. Это происходит вследствие ее разложения с выделением коричневого оксида азота (V).
Основные применения азотной кислоты (V) заключаются, прежде всего, в получении других химических веществ (определенных солей, эфиров или нитросоединений). Важным источником потребности в HNO3 является процесс производства аммиачной селитры. Эта кислота применяется также при производстве взрывчатых веществ, красителей, в фармацевтической промышленности или для очистки металлических поверхностей.
Ортофосфорная кислота (VI), H3PO4
В лабораториях чаще всего применяется около 85 %-ный водный раствор этой кислоты (маслянистая жидкость). Также можно приобрести 100% H3PO4 — она находится в виде белых кристаллов (при комнатной температуре). Ортофосфорная кислота (V) проявляет сильную гигроскопичность. Она образует три ряда солей: ортофосфаты (V), дигидрогенортофосфаты (V) и гидрогенортофосфаты (V).
Значение ортофосфорной кислоты (V) в промышленности велико. Значительные количества применяются в химических и фармацевтических процессах, например, при производстве минеральных удобрений, продуктов бытовой химии, кормовых добавок или лекарственных препаратов. Кроме того, она является одним из субстратов, применяемых при производстве препаратов для удаления накипи и ржавчины.