УЧЕБНАЯ КНИГА ПО ХИМИИ

ДЛЯ УЧИТЕЛЕЙ СРЕДНИХ ШКОЛ,
СТУДЕНТОВ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ВУЗОВ И ШКОЛЬНИКОВ 9–10 КЛАССОВ,
РЕШИВШИХ ПОСВЯТИТЬ СЕБЯ ХИМИИ И ЕСТЕСТВОЗНАНИЮ

УЧЕБНИКЗАДАЧНИКЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМНАУЧНЫЕ РАССКАЗЫ ДЛЯ ЧТЕНИЯ

Продолжение. См. № 4–14, 16–28, 30–34, 37–44, 47, 48/2002;
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23,
24, 25-26, 27-28, 29, 30, 31, 32, 35, 36, 37, 39, 41, 42, 43, 44 , 46, 47/2003

§ 7.1. Сильные кислоты и основания

(продолжение)

Определения кислот и оснований вы знаете. Кислота – вещество, содержащее водород и диссоциирующее в воде с образованием ионов водорода (гидроксония). По числу отщепляющихся ионов водорода кислоты бывают одноосновные, двухосновные и трехосновные.
Основаниями называют вещества, содержащие гидроксильную группу и способные диссоциировать в воде с образованием гидроксид-ионов. Растворимые основания называют щелочами. Основания, диссоциирующие с образованием одного, двух и трех гидроксид-ионов из одной «молекулы», называют однокислотными, двухкислотными и трехкислотными.
Способность вещества реагировать как кислота или как основание не является свойством, присущим конкретно данному веществу, т. к. нередко в одних реакциях вещество ведет себя как кислота, в других – как основание (амфотерность). В кислотно-осно'вных реакциях одно вещество играет роль кислоты по отношению ко второму веществу – основанию. В других реакциях роли основания и кислоты изменяются.
Было предпринято много попыток дать определения кислоты и основания, которые бы позволяли раз и навсегда относить данное вещество или к классу кислот, или к классу оснований. Наиболее успешной оказалась такая попытка (1923) датского физикохимика Й.Н.Брёнстеда: кислоты – это вещества, отдающие в реакциях ионы водорода, а основания – вещества, присоединяющие ионы водорода (протоны). Кислотами и основаниями могут считаться и нейтральные молекулы, и ионы. Кислота и основание сопряжены друг с другом – сопряженные кислота и основание. Например, в уравнении реакции диссоциации серной кислоты

H₂SO₄ + H₂O = + H₃O⁺

и в уравнении обратной реакции

+ H₃O⁺ = H₂SO₄ + H₂O

кислотами являются H₂SO₄ и H₃O⁺, а основаниями – H₂O и .
Если вещество реагирует как кислота, то в системе обязательно присутствует сопряженное с ней основание, и наоборот.
По Брёнстеду, реакция нейтрализции кислоты и основания – это реакция не нейтрализации, а получения новой кислоты и нового основания.
Еще более удивительно трактование состава некоторых кристаллических веществ. Например, в кристаллической решетке хлорида аммония NH₄Cl в узлах кристаллической решетки содержатся ионы – кислоты и ионы Сl^– – основания. В солях все катионы – кислоты и все анионы – основания.

Отечественный физикохимик М.И.Усанович ввел еще более удивительные для нас и еще более общие определения понятий кислоты и основания: кислота – это вещество, способное отдавать катионы и присоединять анионы, основание – это вещество, способное отдавать анионы и присоединять катионы. В частном случае, когда катионом является ион водорода, мы приходим к определениям Брёнстеда.
Мы привели определения кислот и оснований по Брёнстеду и Усановичу не для того, чтобы вы их запоминали, а чтобы увидели, как поразительно меняется содержание определения понятия в зависимости от используемой научной теории.

Существуют различные методы определения концентрации ионов водорода и рН раствора. Один из простейших основан на использовании кислотно-осно'вных индикаторов. В качестве индикаторов используют некоторые органические кислоты и основания, которые резко меняют свою окраску при изменении рН раствора.
Так, индикатор фенолфталеин, состоящий из трех бензольных колец, присоединенных к атому углерода, и еще одного пятичленного кольца с атомом кислорода, представляет собой слабую кислоту, не обладающую цветом в слабоосновной и кислотной средах при рН < 8,1. В более осно'вной среде при рН > 9,6 у атома кислорода пятичленного кольца молекулы фенолфталеина связь разрушается и образуется группа –СОО^–, при этом окраска индикатора становится красно-малиновой.
В некотором промежутке значений рН в растворе обе формы молекулы индикатора находятся в равновесии, вследствие чего окраска раствора промежуточная. Область значений рН, в которой совершается переход одной формы индикатора в другую и отмечается изменение его окраски, – это интервал рН перехода окраски индикатора, или, как говорят, интервал перехода индикатора. Обычно подбирают индикатор по возможности с более узким интервалом перехода.
Ниже приведены наиболее употребляемые индикаторы, их окраска в кислотной и основной средах и интервалы перехода.

Примечание. Индикатор фенолфталеин можно купить в аптеке, его продают как слабительное средство (пурген).

Для определения рН самых разнообразных водных растворов (природные воды, кровь, желудочный сок, молоко, технологические растворы, сточные воды и тому подобные) в настоящее время используют электронные приборы – рН-метры. В исследуемую жидкость помещается стеклянный электрод, заряд которого зависит от среды раствора. Прибор определяет заряд электрода и показывает рН изучаемого раствора.
Раньше пользовались набором индикаторов или универсальным индикатором, окраска которого непрерывно менялась по мере изменения среды раствора. В вашей школьной лаборатории, возможно, нет рН-метров, поэтому посмотрим, как следует пользоваться набором индикаторов.
Пример. Метод определения рН раствора с помощью индикаторов заключается в последовательном фиксировании изменения окраски нескольких индикаторов в отдельных пробах раствора. Испытание следует начинать с индикатора, имеющего интервал перехода окраски в нейтральной среде. Предположим, что при добавлении нескольких капель лакмуса к 2–3 мл исследуемого раствора последний окрасился в синий цвет. Это значит, что рН раствора больше или равен 8, т. е. рН 8. Затем следует испытать новую порцию раствора фенолфталеином. Если фенолфталеин принимает в растворе малиновую окраску, значит, рН 9,8. Далее берут индикатор, имеющий интервал перехода в еще более сильной щелочной среде. Пусть индикатор индигокармин показал синюю окраску, следовательно, рН 11,6. Сопоставив результаты двух последних измерений: рН 9,8 и рН 11,6, делаем выводы, что рН исследуемого раствора находится в интервале 9,8 рН 11,6.
В качестве индикаторов можно использовать соки растений, их плодов и цветов. Далее в таблице приведена их окраска в натуральном виде и в кислотной и щелочной средах.

Сок какого растения наиболее удобен в качестве кислотно-основного индикатора? Сок какого цветка невозможно использовать в качестве индикатора? Как доказать, что при изменении среды раствора индикатор изменяет цвет, а не реагирует с образованием прочных химических соединений с ионами водорода и гидроксид-ионами?

Список новых и забытых понятий и слов

О.С.ЗАЙЦЕВ