Оксиды. Кислоты. Основания. Соли

Вы уже знаете, что воздух состоит главным образом из двух основных компонентов – азота и кислорода. Обычно в объёме воздуха равном 100 кубическим дециметрам примерно 78 кубических дециметров занимает азот, ещё 21 кубический дециметр приходится на кислород. Остальные газы, входящие в атмосферу, вместе занимают около одного кубического дециметра.

Поговорим о кислороде подробнее. Вам уже известно, что символ химического элемента кислорода обозначается буквой «О», происходящей от первой буквы его латинского названия – Oxygenium. Кислород обладает высокой химической активностью, вступая в реакции с различными простыми и сложными соединениями. Некоторые вещества способны реагировать с ним даже при обычной комнатной температуре. Другим же требуется воздействие высокой температуры для начала взаимодействия.

Кислород активно вступает в химические реакции с множеством веществ, включая водород. Их взаимодействие представлено таким уравнением:

2H₂ + O₂ → 2H₂O

Таким образом, результатом данной реакции становится образование воды.

При внесении горящей серы в сосуд, наполненный кислородом, наблюдается вспышка ярко-синего пламени, сопровождающаяся быстрым выгоранием серы:

S + O₂ → SO₂.

Образующийся продукт носит название сернистый газ. Он характеризуется специфичным резким запахом, хорошо знакомым нам по зажигания обыкновенной спички.

Поместив тлеющий уголь, богатый углеродом, внутрь сосуда с чистым кислородом, мы наблюдаем аналогичную картину – уголь мгновенно загорается ярким пламенем:

C + O₂ → CO₂.

Продуктом реакции является углекислый газ – СО₂, с которым вы уже знакомы.

Если поместить зажжённую деревянную палочку в ёмкость, содержащую углекислый газ, огонь немедленно погаснет, так как углекислый газ не способен поддерживать процесс горения.

Помимо реакций с неметаллами, кислород также вступает в активные химические процессы с большинством металлов. Например, при подогревании порошка меди в среде чистого кислорода цвет частиц изменяется с характерного красного оттенка на чёрный. Данный факт подтверждает протекание химической реакции и формирование нового соединения – оксида меди (CuO):

2Cu + O₂ → 2CuO.

А теперь давайте ещё раз внимательно взглянем на наши реакции. Не трудно заметить, что во всех случаях при взаимодействии простых веществ с кислородом образовались новые – сложные вещества. Они состоят из атомов двух химических элементов, один из которых кислород. Так вот такие сложные вещества в химии принято называть оксидами.

Существует огромное разнообразие соединений, называемых оксидами, каждый из которых имеет уникальную химическую формулу и собственное наименование. Формирование названия осуществляется путём добавления слова «оксид» перед русским названием соответствующего химического элемента в форме родительного падежа. Например:

«Магний О» (MgO) – оксид магния,

«Натрий два О» (Na₂O) – оксид натрия,

«Аш два О» (H₂O) – оксид водорода.

Оксиды различных химических элементов при стандартных условиях отличаются друг от друга своими агрегатными состояниями: встречаются жидкости (например, H₂O вода), твёрдые тела (такие как CaO оксид кальция) и газы (например, CO₂ углекислый газ). Эти соединения обладают разнообразием цветов: от белого цвета оксида цинка, до чёрного цвета оксида меди, буроватого оксида серебра, оранжевого оксида ртути и коричневого оксида железа. Оксиды так же характеризуются различиями и в других физических свойствах.

Оксиды повсеместно распространены в окружающей нас природе. Только представьте количество воды, наполняющей моря, океаны и реки! Ведь вся эта вода – это оксид водорода H₂O. Ещё одним чрезвычайно распространённым оксидом является оксид кремния SiO₂. Мы его называем обычным кварцевым песком, который составляет основу большинства почвенных пород. Каждый выдох приносит с собой выделение оксида углерода CO₂​, известного как углекислый газ. Процесс сгорания ряда топлив сопровождается выделением оксида серы SO₂​, называемым сернистым газом. Огромная часть оксидов представлена минералами, образующими значительную часть состава земной коры.

А теперь скажите, какой химический элемент является самым распространённым во всей Вселенной? Правильно – это водород. Обозначается этот химический элемент латинской буквой «Н» – по первой букве его латинского названия – Hydrogenium. Интересно, что водород переводится на русский язык, как «рождающий воду». Всё потому, что в результате соединения атомов водорода с атомами кислорода образуются, «рождаются» молекулы воды.

А теперь давайте проведём такой опыт. Поместим трубку с горящим водородом в ёмкость, заполненную кислородом. Мы видим, что интенсивность горения водорода резко возрастает, пламя становится значительно ярче.

Спустя короткое время на стенках сосуда появляются маленькие капли прозрачной жидкости. Эта ничто иное, как вода, образовавшаяся в результате реакции водорода с кислородом:

2H₂ + O₂ → 2H₂O.

Итак, снова убеждаемся, что водород совместно с кислородом действительно «рождает» воду.

Водород входит в соединение многих веществ, среди которых особое место занимают кислоты.

Термин «кислый» знаком абсолютно каждому человеку благодаря повседневному опыту употребления продуктов с характерным вкусом. Вспомним кислые яблоки, лимонный сок, кислое молоко или зелёный щавель. Такие продукты приобретают этот специфичный привкус благодаря особым веществам – кислотам. Так, в кислом молоке присутствует молочная кислота, в лимоне – лимонная, в яблоках – яблочная, а в щавеле – щавелевая кислота. Число известных науке кислот огромно – их насчитывается тысячи разновидностей, хотя лишь малая часть встречается в повседневной жизни.

Дома, помимо пищевых кислот, можно обнаружить и другие виды кислот. Например, борная кислота часто используется в медицинских целях, а серная кислота применяется для зарядки автомобильных аккумуляторов. Но применение кислот выходит далеко за пределы домашнего хозяйства. Эти вещества востребованы почти во всех областях человеческой деятельности, начиная от промышленности и заканчивая наукой и техникой.

Внимательно посмотрите на рисунок. На нём представлены шаровые модели молекул различных кислот наряду с их химическими формулами.

Обратите внимание, что одни молекулы состоят из небольшого числа атомов, другие содержат значительное их количество. Но какой элемент объединяет каждую из представленных молекул? Верно, это атомы водорода (H). Во всех существующих кислотах обязательно присутствует этот элемент.

Важно отметить, что наличие атома водорода в структуре вещества не делает автоматически это вещество кислотой. Существуют соединения, включающие атомы водорода, но кислотных свойств не проявляющие, например, метан CH₄​ или глюкоза C₆H₁₂O₆. Таким образом, не каждое вещество, содержащее атомы водорода, обязательно является кислотой.

Теперь, давайте мысленно удалим атомы водорода («шарики») из молекул наших кислот. Оставшиеся при этом части молекул называются кислотными остатками. В рассматриваемых примерах такими остатками выступают атом хлора (Cl), группы атомов нитрата (NO₃), сульфата (SO₄) и фосфата (PO₄).

Важнейшей общей чертой всех кислот является способность атомов водорода в их молекуле замещаться атомами металла:

Подытоживая, можно сказать, что кислоты представляют собой сложные вещества, чьи молекулы включают атомы водорода, способного замещаться металлами, и кислотные остатки.

Что касается внешнего вида кислот, то при обычных условиях большинство из них выглядит как жидкости или твёрдые вещества. Например, серная кислота при комнатной температуре представляет собой прозрачную вязкую жидкость без запаха, вдвое плотнее воды. Фосфорная кислота в аналогичных условиях – это бесцветное твёрдое вещество, лишённое запаха.

Значительная часть кислот относится к категории едких веществ. Контакт кожи, слизистых оболочек рта или глаз с этими веществами вызывает серьёзные химические повреждения тканей – глубокие и болезненные ожоги.

Во избежание неприятных последствий при обращении с кислотами рекомендуется соблюдать повышенную осторожность. Если произошло случайное попадание кислоты на кожные покровы или ткань одежды, пострадавшую область незамедлительно промывают прохладной водой в большом количестве, после чего обрабатывают слабо концентрированным (около 1 %) раствором пищевой соды. В ситуации, когда кислоту случайно занесли в глаза, концентрацию раствора соды уменьшают наполовину. В тяжёлых случаях необходимо срочно обратиться за квалифицированной медицинской помощью.

Поскольку кислоты пробовать на вкус опасно, их наличие можно определить по изменению окраски специальных веществ – индикаторов. Индикаторы – это особые вещества, которые изменяют свою окраску в присутствии кислот и ряда других веществ. В лабораторных занятиях по химии наиболее популярными индикаторами для выявления кислот служат лакмусовая бумага, метиловый оранжевый (метилоранж) и универсальный индикатор – полоски особой бумаги, обработанные разными индикаторами одновременно.

Как мы уже говорили в молекулах кислот водород способен заменяться атомами металлов. В результате такого взаимодействия всегда возникают два типа веществ: простой газообразный водород H₂ и комплексные соединения, включающие атомы металла и остатки кислоты. Например, взаимодействие соляной кислоты HCl с металлическим цинком Zn приводит к образованию сложного вещества – хлорида цинка ZnCl₂, которое включает атомы цинка Zn и кислотных остатков хлора Cl. Аналогично, при взаимодействии серной кислоты H₂SO₄ с железом Fe, возникает сложное вещество FeSO₄, содержащее атомы железа Fe и кислотные остатки SO₄.

Такие сложные вещества, в состав которых входят атомы металлов и кислотные остатки, называются солями. Все соли представляют собой твёрдые кристаллы разнообразной окраски. Среди важнейших природных солей выделяются карбонат кальция CaCO₃, известный как мел, мрамор и известняк; хлорид натрия NaCl (та самая поваренная соль); а также фосфат кальция Ca₃(PO₄)₂, встречающийся в виде фосфорита. Эти вещества широко используются человеком: от домашнего хозяйства и медицины до масштабных промышленных процессов.

А теперь давайте проведём такой опыт. Возьмём маленький кусочек металлического натрия размером примерно с горошинку и поместим его в ёмкость с водой. Мы тут же заметим удивительное явление: натрий плавает на поверхности воды, поскольку он легче её, быстро превращаясь в подвижный серебристый шарик. Этот шарик активно перемещается по водной глади, издавая характерное шипение.

Происходит химическая реакция, в которой каждый атом натрия взаимодействует с молекулой воды, вытесняя из неё один атом водорода и формируя новое вещество:

2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑.

Аналогичным образом ведёт себя другой активный металл кальций (Ca). Он тоже вступает в реакцию с водой, выделяя водород. Кальций, как и натрий, легко вытесняет водород из воды, образуя новое вещество:

Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑.

Какие же вещества, кроме водорода, получаются в этих реакциях? Если внимательно посмотреть на формулу полученных продуктов, можно заметить, что в их составе присутствуют атомы металла и группа атомов (OH). Последние носят название гидроксогрупп.

Таким образом, основания – это сложные вещества, состоящие из атомов металлов и гидроксогрупп.

Таким образом, помимо водорода, в обеих выше рассмотренных нами реакциях образуются следующие вещества:

o гидроксид натрия (NaOH);

o и гидроксид кальция (Ca(OH)₂).

Большинство оснований в воде не растворяются – это нерастворимые основания. Растворимые в воде основания называются щелочами.

Щелочи в водных растворах проявляют агрессивные свойства, способствуя повреждению тканей организма человека. Их попадание на кожные покровы вызывает болезненные ожоги, раздражение и повреждения тканей. Если произошло случайное попадание щелочи на кожу или слизистые оболочки, немедленно промойте поражённый участок большим количеством проточной прохладной воды. После этого рекомендуется обработать поверхность слабым раствором борной кислоты, содержащемся в аптечке первой помощи.