Первые классификации веществ принадлежат алхимикам. Работали они в основном с веществами неорганического происхождения; такие вещества называют также минеральными. Проводя с веществами различные реакции, алхимики видели, что их внешний вид и свойства могут разительно измениться. Так, при соединении магнитного железа и легкоплавкой серы получается твердое вещество, которое не притягивается магнитом, плавится при такой же высокой температуре, что и чугун, а при действии кислот выделяет газ с отвратительным запахом тухлых яиц. Некоторые вещества были настолько едкими, что от их испарений слезились глаза, раздражались слизистые оболочки носа и глотки. Но эти зловредные свойства можно было уничтожить действием других, часто тоже очень едких веществ.

Постепенно у алхимиков сложилась классификация неорганических веществ. И эта классификация в основном сохранилась до настоящего времени. В соответствии с ней неорганические вещества подразделяют на кислоты, основания, оксиды и соли. Эти четыре класса веществ как бы повторили четыре "стихии" древних философов. А в качестве "пятой сущности", "квинтэссенции", в рассмотренных реакциях выступает вода, которая образуется во многих реакциях взаимного "гашения" веществ кислотного и основного характера.[1]

Этимология и открытие кислот и оснований

Термины "кислоты" и "основания" вполне сформировались в 17 в. Их содержание неоднократно пересматривалось и дополнялось. Этот процесс происходил и происходит в острых столкновениях представителей разных взглядов на природу кислот и оснований.

В настоящее время кислоту в химическом значении подразумевают как химическое соединение, способное отдавать катион водорода, либо соединение, способное принимать электронную пару с образованием ковалентной связи. Понятие "кислота" впервые ввел русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов.

Вещества с кислотным характером были известны с древних времен. Какие вещества считать таковыми, было понятно: они кислые на вкус, хотя далеко не все кислоты можно пробовать безнаказанно, например, циановодородную кислоту. Различные кислоты содержатся в соке многих фруктов и овощей, придавая им кислый вкус; они образуются при скисании молока или сладкого фруктового сока. В последнем случае образуется уксус - водный раствор уксусной кислоты.

С алхимических времен были известны неорганические кислоты - серная, соляная, азотная, фосфорная, хотя их формулы были установлены много позже. Впоследствии немало различных кислот было выделено из растений и животных организмов, о чем говорят их названия: миндальная, виноградная, лимонная, щавелевая, сахарная. Уксусная кислота, например, была известна (в виде водного раствора) уже в античные времена; она получалась при скисании виноградного вино, и само ее название происходит от греческого слова "оксос", что означает "кислый". (Любопытно одно довольно необычное использование уксуса как кислоты в древности: в нем растворяли жемчуг, чтобы получить якобы целебный напиток). [2]

Муравьиная кислота стала известна только в XVII в, когда ее обнаружили в едких выделениях рыжих муравьем. Большинство других кислот, имеющих свои "собственные" историческим сложившиеся названия, были получены главным образом в прошлом веке и названы по природному источнику, в котором они содержатся в значительных количествах или были впервые обнаружены. Масляная кислота есть в обычном сливочном масле, только не в свободном состоянии, а в виде сложного эфира.

Было очевидно, что у кислот должны быть общие характерные черты. Так, французский химик А.Л. Лавуазье считал, что все кислоты содержат кислород, что и отразил в названии этого элемента ("рождающий кислоты", на латыни oxxygenium). Действительно, большинство известных в конце XVIII века кислот содержали кислород. Однако вскоре было доказано, что в составе соляной кислоты кислорода нет. Это оказалось справедливым для ряда других кислот (H2S, HCN и т.д).

К 1830 году благодаря работам английского химика Х. Дэви и немецких химиков Й.Я. Берцелиуса и Ю. Либиха стало ясно, что общее для всех кислот не кислород, а атомы водорода, причем не любые, а только способные замещаться на атомы металлов. Юстус Либих дал кислотам такое определение: это соединения водорода, в которых водород легко может быть замещен металлами. Если бы Лавуазье это знал, возможно, он словом "кислород" назвал бы как раз водород, поскольку именно водород обязательно входит в состав любой кислоты.

Основание - химическое соединение, способное образовывать ковалентную связь с протоном (основание Брёнстеда) либо с вакантной орбиталью другого химического соединения (основание Льюиса). В узком смысле под основаниями понимают основные гидроксиды - сложные вещества, при диссоциации которых в водных растворах отщепляется только один вид анионов - гидроксид-ионы OH-.

Арабские алхимики называли щелочи alkali. От арабского же термина (с артиклем) произошло название щелочи во многих европейских языках: англ. И нидерл. alkali, нем. Alkali, фр. И итал. Alkali. [3]

Помимо кислот издавна были известны вещества щелочного характера, которые назвали основаниями. К ним относили едкие вещества (например, известь, природную соду), которые реагировали с кислотами и нейтрализовали их кислый характер. Считалось, что кислоты и основания являются "антагонистами" и при их химическом взаимодействии происходит "уничтожение" кислотных и основных свойств: они как бы "гасят" друг друга. Основания содержатся в древесной золе, образуются при прокаливании известковых пород, изредка встречаются в природе в свободном виде. На ощупь растворимые основания (такие основания называются щелочами) мылкие, а на вкус - горькие. С химической точки зрения основания являются гидроксидами - веществами, содержащими функциональную группу OH. Само слово "гидроксид" происходит от латинских названий водорода (hydrogenium, дословно - "рождающий воду") и кислорода (oxxygenium). кислота неорганический химический

Возникновение теорий кислот и оснований

Представления о кислотно-основных взаимодействиях относятся к числу фундаментальных химических положений. Понятия "кислота" и "основание" сформировались ещё в XVII веке, однако их содержание неоднократно пересматривалось и уточнялось. Так Р. Бойль считал, что кислоты - это тела, атомы которых имеют острые выступы (и, соответственно, острый вкус), а основания - поры (и вяжущий вкус). По его мнению, реакция нейтрализации сводилась к тому, что выступы кислоты входили в поры основания.

Образная теория кислот и оснований была предложена Н. Лемери. В своем "Курсе химии" (1675) он попытался объяснить физические и химические свойства веществ на языке их формы и структуры. Согласно представлениям Лемери, кислоты на своей поверхности имеют острые шипы, вызывающие на коже колющие ощущения. Основания, названные им щелочами, состоят из пористых тел. "Шипы" кислот проникают в "поры", при этом они ломаются или притупляются, и кислоты превращаются в нейтральные соли.

Научные представления о природе кислот и оснований начали формироваться в конце XVIII в. В работах А. Лавуазье кислотные свойства связывались с наличием в составе вещества атомов кислорода. Известные тогда минеральные и органические кислоты, действительно, содержали кислород. Эта гипотеза быстро показала свою несостоятельность, когда благодаря работам Г. Дэви и Ж. Гей-Люссака стал известен целый ряд кислот, не содержащих кислорода (например, галогеноводороды, синильные кислоты), в то время, как многие кислородсодержащие соединения не проявляют кислотных свойств.

С начала XIX века кислотами стали считать вещества, способные к взаимодействию с металлом с выделением водорода (Ю. Либих, 1839). Примерно в это же время Й. Берцелиус выдвинул идею, объясняющую кислотно-основные свойства веществ их электрической "дуалистической" природой. Так, к кислотам он относил электроотрицательные оксиды неметаллов и некоторых металлов (например, хрома, марганца и др.), а электроположительные оксиды металлов считал основаниями. Таким образом, кислотность или основность Берцелиусом рассматривается как функциональное, а не абсолютное свойство соединения. Берцелиус впервые сделал попытку количественной оценки и предсказания силы кислот и оснований.

C появлением теории электролитической диссоциации С. Аррениуса (1887) возникла возможность описания кислотно-основных свойств исходя из продуктов ионизации электролита. Благодаря работам В. Оствальда теория получила развитие для слабых электролитов.

В начале XX в. американские химики Г. Кэди, Э. Франклин и Ч. Краус создали теорию сольвосистем, распространившую положения теории Аррениуса - Оствальда на все растворители, способные к самодиссоциации.

В основу современных теорий кислот и оснований положены представления Й. Брёнстеда и Г. Льюиса. Имеются вполне успешные попытки создать обобщенные теории (М. Усанович, 1939), но они не находят широкого применения.[4]

История открытия индикаторов

Природные пигменты-красители человеку были известны очень давно еще в Древнем Риме и Древнем Египте. Красители находили широкое применение при окраске тканей. Для нас же особый интерес представляют природные индикаторы, красители-пигменты, которые изменяют окраску в зависимости от среды раствора: кислой, щелочной, нейтральной. Использование пигментов для определения среды раствора впервые научно применено Робертом Бойлем. Изучая свойства хлороводородной кислоты, он случайно ее пролил, и она попала на лепестки фиалок сине-фиолетовой окраски. Что удивило Бойля? Окраска фиалок стала ярко-красной. Это явление заинтересовало химика, и он с энтузиазмом взялся за исследование действий кислот на цветки различных растений. Оказалось, что цветки многих растений (роза, васильки и др.) изменяли окраску.

Помимо цветковых растений он изучал действие различных сред на лишайники. Одним из таких лишайников был тропический лишайник-лакмус. Фиолетовый раствор лакмуса изменял окраску в кислой среде становился красным, в щелочной-синий, в нейтральной оставался-фиолетовым. Он пропитывал бумагу лакмусом и использовал её для определения среды раствора. Лакмусовая бумажка сейчас сравнительно широко используется для экспресс-анализа. Вещества, которые изменяют окраску в зависимости от среды раствора Бойль назвал индикаторами, что в переводе с латинского "указатель". Индикаторы сыграли значительную роль в открытии ортофосфорной кислоты. Бойль, сжигая фосфор и, впоследствии, растворяя продукт сгорания в воде получил фосфорную кислоту. То, что он получил кислоту, было подтверждено им с помощью лакмуса. Следующим важными индикаторами стали фенолфталеин (1871 год, Байер А.-немецкий химик) и метилоранж (1877 год).

Кислотно-основные индикаторы - органические соединения, способные изменять цвет в растворе при изменении кислотности (pH). Индикаторы широко используют в титровании в аналитической химии и биохимии.

Окраска основных индикаторов

Кислотно-щелочные индикаторы в природе встречаются часто. Очень многие отвары плодов ягод, цветов являются индикаторами. Для кислотно-основных индикаторов необходимы требования:

· Индикатором может быть либо слабое основание, либо слабая кислота;

· Окраска ионов и молекул должна быть разной;

· Интенсивность окраски должна быть незначительной, чтобы при добавлении небольшого количества к исследуемому раствору можно было проконтролировать изменение окраски. [5]

Современное применение веществ

Кислоты, благодаря своим свойствам, широко применяются в быту, медицине, промышленности и других сферах.

Области применения кислот:

· Азотная кислота широко используется для производства удобрений, красителей, лаков, пластмасс, лекарственных и взрывчатых веществ, а также химических волокон.

· Серная кислота расходуется в больших количествах для производства минеральных удобрений, красителей, химических волокон, пластмасс, лекарственных веществ. Используется для извлечения металлов из руд; заполнения кислотных аккумуляторов. Находит применение в нефтяной промышленности для очистки нефтепродуктов.

· Фосфорная кислота используется в составах для обезжиривания металлических поверхностей перед нанесением защитных покрытий, входит в состав композиций для преобразования ржавчины перед покраской, применяется для защиты от коррозии трубопроводов, прокачивающих морскую воду.

· Соляная кислота широко применяется в нефтяной промышленности для обработки призабойных зон скважин с целью увеличения нефтеотдачи пластов, используется в составах травильных растворов для удаления ржавчины и отложений в трубопроводах и скважинах, а также как отвердитель фенолформальдегидных смол.

Также кислоты находят применение и в жизни человека:

· для дезинфекции сантехники, очистки плит, при пайке металлов;

· для получения лекарств, удобрений, красителей, взрывчатых веществ;

· в кулинарии;

· в производстве минеральных удобрений, лекарств, моющих средств, красок, искусственного волокна;

· для отбеливания при стирке.[6]

Основания очень широко применяются в химических лабораториях, химической промышленности и в быту.

Например, гидроксид натрия NaOH - самый распространенный реактив. Он используется при изготовлении натриевых солей, а также солей органических кислот. Области применения - производство древесины из целлюлозы при сульфатной варке, мыла, смачивателей, искусственных волокон, а также красителей и фенолов. Применяют его также в электролитических процессах в технологиях цинка и олова.

Следующее снование, нашедшее широкое применение, - гидроксид калия КОН. Это вещество является исходным для получения жидких мыл, солей калия и некоторых видов красителей. Его используют в качестве электролита в никель-кадмиевых аккумуляторах в сочетании с гидроксидом лития.

Гидроксид аммония NH4OH используется как удобрение и консервант при производстве кормов для животных. Также применяют в производстве соды и красителей.

Гидроксид кальция Ca(OH)2, или, другими словами, гашеная известь, нашла применение в строительных работах. Из нее делают хлорную известь и известковые удобрения. Также с ее помощью можно дубить кожу, смягчать воду и нейтрализовать сточные воды.

Гидроксидом лития LiOH можно наполнять щелочные аккумуляторы, а также он используется при производстве стекла и эмалей.

Если говорить о гидроксиде магния Mg(OH)2, то он необходим в строительной промышленности и в изготовлении химической посуды из керамики. Также нашел применение в медицине как нейтрализующее средство в случаях высокой кислотности желудка.

Эти основания, как уже упоминалось, наиболее распространенные. Ниже приведены некоторые редко используемые гидроксиды.

Это, например, гидроксид меди Cu(OH)2. Его использование - пигментация стекла и эмалей, фунгицид, также стабилизатор нейлона. Гидроксид цинка Zn(OH)2 - компонент многих красок и мазей для животных, наполнитель резины.

Для получения катализаторов и пигментов используют гидроксид кобальта Co(OH)2. А при изготовлении зубных паст, как адсорбирующее средство в медицине применяют гидроксид алюминия Al(OH)3.

А с помощью гидроксида бериллия Be(OH)2 получают огнеупорную керамику и компоненты стекол, пропускающих УФ-лучи. В аналитической химии используют гидроксид хрома Cr(OH)3. [7]

Перспективы развития

Перспективы химической промышленности очень велики в связи с тем, что эта отрасль развивается весьма динамично и этим порождает развитие научно-технического прогресса. Химическое производство обеспечивает практически все отрасли народного хозяйства своими товарами. Сейчас сложно представить жизнь человека без машин, бытовой химии, различного рода удобрений для сельского хозяйства и других материалов. Химическая промышленность - огромный комплекс, который играет большую роль в производстве страны.

Главные проблемы, стоящие перед отраслью - развитие производств новейших видов продукции тонкой химии (чистые вещества, реактивы), микробиологической промышленности, создание небольших производств, не оказывающих особого влияния на окружающую среду.

Основная химия включает производство кислот, щелочей и минеральных удобрений.

Сернокислотная промышленность - одна из важнейших химических отраслей, ее продукция находит применение в производстве минеральных удобрений, металлургии, пищевой и легкой промышленности и т.д.

Заводы по производству серной кислоты расположены только в районах потребления, так как она малотранспортабельна.

Отрасль развита почти во всех экономических районах. Важнейшие предприятия размещены в Центральном районе (Воскресенск, Щелково, Новомосковск), в Волго-Вятском районе (Дзержинск), на Урале (Березники, Пермь).

Содовая промышленность производит продукцию, использующуюся в стекольной, химической промышленности, цветной металлургии, в быту и т.д. Размещается она вблизи месторождений соли (исходного сырья для получения соды) - в Алтайском крае, Пермской области, Башкортостане.

Производство минеральных удобрений. Для выпуска фосфатных удобрений используют фосфаты и апатиты. Большинство заводов РФ работает на хибинских апатитах. Крупные предприятия - в Воскресенске, Санкт-Петербурге, Кингисеппе.

Производство калийных удобрений представлено Солекамским и Березниковским комбинатами на Урале.

Азотная промышленность в качестве сырья использует, в основном, природный газ, поэтому новые предприятия отрасли размещены вблизи газовых промыслов, а также вдоль трасс магистральных газопроводов. Основные центры - Дзержинск. Березники, Новомосковск.[8]

Список литературы