Кислоти

Кисло́ти, у класичному визначенні — електроліти, які при розчиненні в йонізуючому розчиннику (наприклад, у воді), дисоціюють з утворенням іонів водню (або протона Н⁺), таким чином знижуючи кислотність розчину до величини менше ніж pH 7,0.

Поняття кислоти є протилежністю поняття основи. Для вимірювання кислотності середовища використовується поняття pH. Хімічні речовини, що мають властивості кислоти, називаються кислотами.

У сучасній хімії зазвичай використовується інше, хоча й подібне визначення Брьонстеда і Лоурі, за яким кислоти означаються як хімічні сполуки, що є донорами протонів і приймають електрони для утворення іонних зв'язків. Кислоти вступають у реакції з основами, утворюючи солі, а також діють як розчинники. Сильні кислоти корозійні, розбавлені кислоти мають кислий або гострий смак, хоча в деяких органічних кислотах цей смак частково схований за іншими смаковими характеристиками.

Прикладами дисоціації кислот у водному розчині з утворенням Н⁺ є такі:

HCl H⁺ + Cl^-

HNO₃ H⁺ + NO^-
₃

H₂SO₄ 2H⁺ + SO^2-
₄

Атоми водню, що входять до складу молекул кислот і можуть відщеплюватись від молекул кислот при їх дисоціації у вигляді катіонів водню Н⁺, називаються кислотними атомами водню. Кислотні атоми водню в молекулах кислот можуть заміщатися атомами металів (або металоподібних груп, як NH₄) з утворенням солей.

Атоми або групи атомів, що сполучені з кислотними атомами водню в молекулах кислот, називаються кислотними залишками. Так, атом хлору в хлоридній кислоті (точніше, аніон хлору Cl^-) називається кислотним залишком хлоридної кислоти, група атомів NO₃ в нітратній кислоті (точніше аніон NO^-
₃) є кислотним залишком нітратної кислоти, а група атомів SO₄ (точніше аніон SO^2-
₄) — в сульфатній кислоті.

Крім поділу на кислоти Льюїса та кислоти Брьонстеда, останні прийнято класифікувати за різними формальними ознаками:

• За вмістом атомів кисню^[1]:
  • безкисневі (HCl, H ₂ S, HCN) - водні розчини галогенідів, псевдогалогенідів та нижчих халькогенідів;
  • кисневмісні (HNO ₃, H ₂SO₄, C ₆H₅COOH). Неорганічні кисневмісні кислоти є кислотними гідроксидами.

• За кількістю кислих атомів водню^[2]:
  • одноосновні (HNO₃);
  • двоосновні (H₂SeO₄ ;
  • триосновні (H₃PO₄, H₃BO₃, H₃PO₃S)
  • багатоосновні

• За силою
  • Сильні - дисоціюють практично повністю, константи дисоціації більше ніж 1 × 10⁻³ (HNO₃);
  • Слабкі — константа дисоціації менше ніж 1 × 10⁻³ (оцтова кислота K _a = 1,7 × 10⁻⁵).
• За стійкістю
  • Стійкі (H₂SO₄ );
  • Нестійкі (H₂CO₃).
• За належністю до класів хімічних сполук
  • Неорганічні (HBr, H₂SO₄);
  • Органічні (HCOOH, CH₃COOH, C₃H₂O₂);
• За летючістю
  • Летючі (HNO₃, H₂S);
  • Нелеткі (H₂SO₄);
• За розчинністю у воді
  • Розчинні (H ₂SO₄);
  • Нерозчинні (H₂SiO₃);
• За вмістом атомів металів
  • Металовмісні (HMnO₄, H₂TiO₃);
  • Чи не металовмісні (HNO₃, HCN).

Залежно від того, входить кисень до складу кислотного залишку чи не входить, кислоти поділяються на кисневі і безкисневі.

До найбільш вживаних кисневих кислот належать сульфатна (сірчана) кислота H₂SO₄, нітратна (азотна) кислота HNO₃ і фосфатна (фосфорна) кислота H₃PO₄.

Кисневі кислоти можна розглядати також як гідроксиди (найчастіше неповні, або оксиди-гідроксиди) кислотних оксидів, тобто як продукти приєднання води до кислотних оксидів (ангідридів). їх зображають такою загальною формулою: n R_xO_y • m Н₂О, де x і y залежать від валентності кислотоутворюючого елементу, а n і m — від типу кислоти. Наприклад:

SO₃ + Н₂О → SO₃·Н₂О, або SO₂(ОН)₂ (Сульфатна кислота Н₂SO₄)

Р₂О₅ + Н₂О → Р₂О₅·Н₂О, або 2РО₂(ОН) (Метафосфатна кислота НРО₃)

Р₂О₅ + 3Н₂О → Р₂О₅·3Н₂О, або 2РО(ОН)₃ (Ортофосфатна кислота Н₃РО₄).

Однак гідроксидами (чи оксидами-гідроксидами) кислоти звичайно не називають, а терміном гідроксид користуються тільки для назв основ (гідроксидів металів) і амфотерних гідроксидів. Прикладом найбільш вживаних безкисневих кислот можуть бути хлоридна (хлороводнева, або соляна) кислота HCl, бромідна кислота HBr, сульфідна (сірководнева) Н₂S і інші кислоти.

Залежно від кількості кислотних атомів водню молекули кислот поділяються на одноосновні, двоосновні, триосновні тощо. Наприклад, хлоридна кислота HCl — одноосновна, сульфатна кислота H₂SO₄ — двоосновна, фосфатна кислота H₃PO₄ — триосновна тощо.

При складанні структурних формул кислот слід мати на увазі, що кислотні атоми водню в молекулах кисневих кислот зв'язані не безпосередньо з атомом кислотоутворюючого елементу, а через кисень. Це треба пам'ятати, бо є чимало кислот, основність яких не збігається з кількістю атомів водню у складі їх молекул. Так, до складу ацетатної кислоти (оцтової кислоти) входять чотири атоми водню, хоч вона одноосновна. Останнє пояснюється тим, що в молекулі цієї кислоти тільки один атом водню сполучений з атомом вуглецю через кисень, а три атоми зв'язані безпосередньо з атомом вуглецю. Тому при дисоціації молекула ацетатної кислоти відщеплює лише один катіон водню, який може заміщатися катіоном металу з утворенням солі:

${\displaystyle \mathrm {CH_{3}COOH\leftrightarrows CH_{3}COO^{-}+H^{+}} }$

На відміну від кисневих, у молекулах безкисневих кислот кислотні атоми водню зв'язані безпосередньо з атомами кислотоутворюючого елементу. Зазвичай кислотоутворюючий елемент належить до галогенів чи халькогенів, але можливі галогензамінні групи (HCN — синильна кислота). Для прикладу наведемо структурні формули деяких кислот:

     Н2S               Н2SO4            H3PO4               СН3СООН

                        Н—О   О           Н—О                   Н  О
      H- S                 \ //              \                  | //
         |                  S	          Н—О—Р → О           Н—С—С
         H                 / \\              /                  |  \
                        H—O   O           H—O                   H   O—H
Сульфідна кислота	Сульфатна кислота Фосфатна кислота Ацетатна кислота

Назви кислот найкраще виводити від міжнародних назв кислотних залишків. При цьому для кисневих кислот у випадку прояву кислотоутворюючим елементом найвищої можливої валентності назва кислоти має закінчення -атна, наприклад:

HNO₃ — нітратна кислота (азотна)

Н₂SO₄ — сульфатна кислота (сірчана)

Н₃РО₄ — ортофосфатна кислота (фосфорна)

НРО₃ — метафосфатна кислота

Н₂СО₃ — карбонатна кислота (вугільна)

Н₃ВО₃ — боратна кислота (борна)

Якщо ж кислотоутворюючий елемент проявляє в молекулі даної кислоти нижчу позитивну валентність, то назва кислоти має закінчення -итна або -ітна. Наприклад:

HNO₂ — нітритна кислота (азотиста): Н₂SO₃ — сульфітна кислота (сірчиста)

Назви безкисневих кислот у таких випадках мають закінчення -идна або -ідна. Наприклад:

HCl — хлоридна кислота (хлороводнева, або соляна): HI — йодидна кислота (йодоводнева): HBr — бромідна кислота (бромоводнева): H₂S — сульфідна кислота (сірководнева)

Деякі кислоти при звичайних умовах являють собою рідини, наприклад нітратна HNO₃ і сульфатна Н₂SO₄ кислоти, а деякі — тверді речовини, як фосфатна кислота Н₃РО₄, боратна Н₃ВО₃ і ін. Більшість кислот добре розчиняється у воді, але деякі практично не розчиняються (наприклад, силікатна кислота H₂SiO₃). Водні розчини кислот відзначаються кислим смаком, руйнують рослинні та тваринні тканини й змінюють забарвлення індикаторів, зокрема забарвлюють лакмус у червоний колір. Ці спільні властивості усіх кислот обумовлюються наявністю в їх розчинах іонів водню.

Хімічні властивості кислот визначаються їх відношенням до основ і основних оксидів. Найхарактернішою властивістю їх є здатність вступати з основами в реакції нейтралізації.

Наприклад:

HCl + NaOH → NaCl + H₂O

3H₂SO₄ + 2Al(OH)₃ → Al₂(SO₄)₃ + 6Н₂О

З основними і амфотерними оксидами кислоти теж утворюють солі:

2HNO₃ + MgO → Mg(NO₃)₂ + H₂O

3H₂SO₄ + Al₂O₃ → Al₂(SO₄)₃ + 3H₂O

Крім того, кислоти взаємодіють і з активними металами (що стоять в електрохімічному ряду напружень лівіше від водню) з утворенням солі та виділенням водню (з нітратної кислоти водень не виділяється). Наприклад:

2HCl + Zn → ZnCl₂ + H₂ ↑

3H₂SO_{4(розбавлена)} + 2Al → Al₂(SO₄)₃ + 3H₂ ↑

Кислоти, як і основи, можна добувати різними способами.

1. Безпосереднім сполученням ангідридів з водою:

SO₃ + Н₂О → Н₂SO₄

N₂O₅ + Н₂О → 2HNO₃

Цим способом можна одержувати кислоти тільки в тому випадку, коли ангідрид безпосередньо взаємодіє з водою. При цьому слід мати на увазі, що при одержанні деяких кислот залежно від умов одна молекула ангідриду може реагувати з одною, двома і більше молекулами води. Внаслідок цього молекула утворюваної кислоти може містити різну кількість атомів водню і кисню, хоч валентність кислотоутворюючого елементу залишається тою ж самою. Якщо кислота утворюється внаслідок взаємодії одної молекули ангідриду з одною молекулою води, то до назви кислоти додається префікс мета-, а коли на одну молекулу ангідриду припадає дві або три молекули води, то додається префікс орто-.

Наприклад:

Р₂О₅ + H₂O → 2НРО₃ метафосфатна кислота: Р₂О₅ + 3Н₂О → 2Н₃РО₄ ортофосфатна кислота

2. Взаємодією кислот з солями. Цим способом можна користуватися тоді, коли одержувана кислота є леткою або нерозчинною. Наприклад:

Н₂SO₄ + 2NaCl → Na₂SO₄ + 2HCl ↑ (при нагріванні): H₂SO₄ + Na₂SiO₃ → Na₂SO₄ + H₂SiO₃ ↓

3. Безкисневі кислоти можна одержувати як їх витісненням з солей іншими кислотами, так і безпосереднім сполученням елементів з наступним розчиненням одержуваних кислот у воді.

Наприклад:

FeS + 2HCl → FeCl₂ + H₂S ↑

Н₂ + Cl₂ → 2HCl

В техніці для добування хлоридної кислоти користуються останнім способом.

Кислоти є основними реагентами у майже всіх хімічних процесах сучасної промисловості. Сірчана кислота є найбільш широко використовуваною кислотою в промисловості, а також найбільш поширеним промисловим хімікатом у світі. Вона головно застосовується у виробництві добрив, мийних засобів, акумуляторів та барвників, а також в обробці багатьох продуктів, як-от видалення домішок.^[3] Згідно зі статистичними даними за 2011 рік, річне виробництво сірчаної кислоти у світі становило близько 200 мільйонів тонн.^[4] Наприклад, фосфатні мінерали вступають у реакцію з сірчаною кислотою з утворенням фосфорної кислоти для виробництва фосфатних добрив, а цинк отримують шляхом розчинення оксиду цинку в сірчаній кислоті, очищення розчину та електролізу.

У хімічній промисловості кислоти вступають у реакції нейтралізації, утворюючи солі. Наприклад, азотна кислота реагує з аміаком, утворюючи аміачну селітру, яка використовується як добриво. Крім того, карбонові кислоти можуть бути етерифікуватися зі спиртами, утворюючи ефіри.

Кислоти часто використовуються для видалення іржі та інших видів корозії з металів у процесі, відомому як травлення. Вони можуть використовуватися як електроліт у мокрих акумуляторних батареях, наприклад сірчана кислота в автомобільних акумуляторах.

Винна кислота є важливим компонентом деяких широко вживаних продуктів, серед них недозрілі манго та тамаринд. Натуральні фрукти та овочі також містять кислоти. Лимонна кислота присутня в апельсинах, лимонах та інших цитрусових. Щавлева кислота міститься в помідорах, шпинаті, а особливо в карамболі та ревені; листя ревеню та недозрілі карамболи є токсичними через високу концентрацію щавелевої кислоти. Аскорбінова кислота (вітамін С) є важливим вітаміном для організму людини та міститься в таких продуктах, як амла (індійський аґрус), лимон, цитрусові та гуава.

Багато кислот містяться в різних видах харчових продуктів як добавки, оскільки вони змінюють їх смак і служать консервантами. Наприклад, фосфорна кислота, входить до складу напоїв типу кола. Оцтова кислота використовується в повсякденному житті як оцет. Лимонна кислота використовується як консервант у соусах і маринадах.

Вуглекисла кислота є однією з найпоширеніших кислотних добавок, які широко додаються до безалкогольних напоїв. Під час виробничого процесу _CO2 зазвичай піддають тиску, щоб він розчинився в цих напоях і утворив вуглекислу кислоту. Вуглекисла кислота є дуже нестабільною і має тенденцію розкладатися на воду та _CO2 при кімнатній температурі та тиску. Тому, коли відкривають пляшки або банки з такими безалкогольними напоями, вони шиплять і бурлять, оскільки з них виходять бульбашки _CO2.^[5]

Деякі кислоти використовуються як ліки. Ацетилсаліцилова кислота (аспірин) використовується як знеболювальне та жарознижувальне.

Кислоти відіграють важливу роль в організмі людини. Соляна кислота, що міститься в шлунку, сприяє травленню, розщеплюючи великі та складні молекули їжі. Амінокислоти необхідні для синтезу білків, необхідних для росту та відновлення тканин організму. Жирні кислоти також необхідні для росту та відновлення тканин організму. Нуклеїнові кислоти важливі для синтезу ДНК та РНК і передачі ознак нащадкам через гени. Вуглекисла кислота важлива для підтримки рівноваги pH в організмі.

Організм людини містить різноманітні органічні та неорганічні сполуки, серед яких дикарбонові кислоти відіграють важливу роль у багатьох біологічних процесах. Багато з цих кислот є амінокислотами, які в основному служать матеріалами для синтезу білків.^[6] Інші слабкі кислоти служать буферами зі своїми кон'югованими основами, щоб запобігти значним змінам pH організму, які можуть бути шкідливими для клітин.^[7] Решта дикарбонових кислот також беруть участь у синтезі різних біологічно важливих сполук в організмі людини.

Кислоти використовуються як каталізатори в промисловій та органічній хімії; наприклад, сірчана кислота використовується у дуже великих кількостях у процесі алкілування для виробництва бензину. Деякі кислоти, такі як сірчана, фосфорна та соляна, також впливають на реакції дегідратації та конденсації. У біохімії багато ферментів використовують кислотний каталіз.^[8]

Багато біологічно важливих молекул є кислотами. До нуклеїнових кислот, що містять кислотні фосфатні групи, належать ДНК та РНК. Нуклеїнові кислоти містять генетичний код, який визначає багато характеристик організму та передається від батьків до потомства. ДНК містить хімічну схему синтезу білків, які складаються з амінокислотних субодиниць. Клітинні мембрани містять ефіри жирних кислот, такі як фосфоліпіди.

α-амінокислота має центральний атом вуглецю (α-атом або альфа-вуглець), який ковалентно пов'язаний з карбоксильною групою (таким чином, вони є карбоновими кислотами), аміногрупою, атомом водню та змінною групою. Змінна група, яку також називають R-групою або бічним ланцюгом, визначає ідентичність та багато властивостей конкретної амінокислоти. У гліцині, найпростішій амінокислоті, R-група є атомом водню, але в усіх інших амінокислотах вона містить один або кілька атомів вуглецю, пов'язаних з атомами водню, і може містити інші елементи, такі як сірка, кисень або азот. За винятком гліцину, природні амінокислоти є хіральними та майже завжди зустрічаються в L -конфігурації. Пептидоглікан, що міститься в клітинних стінках деяких бактерій, містить деякі D -амінокислоти. При фізіологічному pH, зазвичай близько 7, вільні амінокислоти існують у зарядженій формі, де кисла карбоксильна група (-COOH) втрачає протон (-COO⁻), а основна аміногрупа (-NH₂) отримує протон (-NH⁺
₃). Вся молекула має чистий нейтральний заряд і є цвітеріоном, за винятком амінокислот з основними або кислотними бічними ланцюгами. Наприклад, аспарагінова кислота має одну протоновану аміногрупу та дві депротоновані карбоксильні групи, що дає сумарний заряд −1 при фізіологічному рН.

Жирні кислоти та їх похідні — це ще одна група карбонових кислот, яка відіграє важливу роль у біології. Вони містять довгі вуглеводневі ланцюги та карбоксильну групу на одному кінці. Клітинна мембрана майже всіх організмів складається переважно з фосфоліпідного бішару — міцели гідрофобних ефірів жирних кислот з полярними гідрофільними фосфатними «головними» групами. Мембрани містять додаткові компоненти, деякі з яких можуть брати участь у кислотно-лужних реакціях.

У людей та багатьох інших тварин хлоридна кислота входить до складу шлункового соку, що виділяється у шлунку, і сприяє гідролізу білків та полісахаридів, а також перетворенню неактивного проферменту пепсиногену на фермент пепсин. Деякі організми виробляють кислоти для захисту; наприклад, мурахи виробляють мурашину кислоту.

Кислотно-лужна рівновага відіграє вирішальну роль у регулюванні дихання ссавців. Кисень (O₂) забезпечує клітинне дихання — процес, під час якого тварини вивільняють хімічну потенційну енергію, накопичену в їжі, утворюючи вуглекислий газ (CO₂) як побічний продукт. Обмін киснем і вуглекислим газом відбувається в легенях, а організм реагує на зміну енергетичних потреб, регулюючи інтенсивність дихання. Наприклад, під час фізичних навантажень організм швидко розщеплює накопичені вуглеводи та жири, вивільняючи CO₂ у кров. У водних розчинах, таких як кров, CO₂ перебуває в рівновазі з вугільною кислотою та бікарбонатним іоном.

CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO−3

Саме зниження рівня pH дає сигнал мозку дихати швидше й глибше, виводячи надлишок _CO2 та забезпечуючи клітини киснем O₂.

Клітинні мембрани, як правило, непроникні для заряджених або великих полярних молекул через ліпофільні жирні ацильні ланцюги, що складають їхню внутрішню структуру. Багато біологічно важливих молекул, включаючи низку фармацевтичних препаратів, є органічними слабкими кислотами, які можуть проникати через мембрану у своїй протонованій, незарядженій формі, але не в зарядженій (тобто у вигляді кон'югованої основи). З цієї причини активність багатьох ліків може бути посилена або пригнічена за допомогою антацидів або кислих продуктів харчування. Однак заряджена форма часто є більш розчинною у крові та цитозолі, обох водних середовищах. Коли позаклітинне середовище є більш кислим, ніж нейтральний рН всередині клітини, певні кислоти існуватимуть у своїй нейтральній формі та будуть розчинними у мембрані, що дозволить їм проникати через фосфоліпідний бішар. Кислоти, які втрачають протон при внутрішньоклітинному pH, існуватимуть у розчинній, зарядженій формі та, таким чином, здатні дифундувати через цитозоль до своєї мішені. Ібупрофен, аспірин та пеніцилін є прикладами лікарських засобів, які є слабкими кислотами.

• Галогеноводневі сполуки та їх розчини: плавикова кислота (HF), хлоридна кислота (HCl), бромистоводнева кислота (HBr), йодистоводнева кислота (HI)
• Галогенні оксокислоти: хлорнуватиста кислота (HClO), хлориста кислота ( _HClO2 ), хлорна кислота ( _HClO3 ), перхлорна кислота ( _HClO4 ) та відповідні аналоги брому та йоду
  • Гіпофторуватиста кислота (HFO), єдина відома оксокислота для фтору.
• Сірчана кислота ( _{H2SO4 )}
• Фторсульфатна кислота ( _HSO3F )
• Азотна кислота ( _HNO3 )
• Фосфорна кислота ( _{H3PO4 )}
• Фторантимонова кислота ( _HSbF6 )
• Фторборна кислота ( _HBF4 )
• Гексафторфосфорна кислота ( _HPF6 )
• Хромова кислота ( _{H₂CrO₄ )}
• Борна кислота ( _{H3BO3 )}

Сульфокислота має загальну формулу RS(=O)₂–OH, де R — органічний радикал.

• Метансульфонова кислота ₍ або мезилова кислота, _CH3SO3H )
• Етансульфонова кислота ₍ або _{есилова} кислота, _CH3CH2SO3H )
• Бензолсульфонова кислота (або безилова кислота, C ₆ H ₅ SO ₃ H)
• п-Толуолсульфонова кислота ₍ або _{тозилова} кислота, _{CH3C6H4SO3H )}
• Трифторметансульфонова кислота ₍ або трифторметансульфонова кислота, _CF3SO3H )
• Полістиролсульфонова кислота (сульфований полістирол, [ _CH₂CH ( _C₆H₄ ) _SO₃H ] _{₂n )}

Карбонова кислота має загальну формулу RC(O)OH, де R — органічний радикал. Карбоксильна група -C(O)OH містить карбонільну групу C=O та гідроксильну групу OH.

• Оцтова кислота ( _CH3COOH)
• Лимонна кислота (C₆H₈O₇)
• Мурашина кислота (HCOOH)
• Глюконова кислота HOCH_2-(CHOH)_4- COOH
• Молочна кислота (CH₃ -CHOH-COOH)
• Щавлева кислота (HOOC-COOH)
• Винна кислота (HOOC-CHOH-CHOH-COOH)

Галогенування в альфа-положенні збільшує силу кислоти, тому всі наступні кислоти сильніші за оцтову кислоту.

• Фторидоцтова кислота
• Трифтороцтова кислота
• Хлороцтова кислота
• Дихлороцтова кислота
• Трихлороцтова кислота

Звичайні карбонові кислоти утворюються прямим з'єднанням карбонільної групи та гідроксильної групи. У вінілових карбонових кислотах карбонільну та гідроксильну групи розділяє подвійний вуглець-вуглецевий зв'язок.

• Аскорбінова кислота

• Дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК)
• Рибонуклеїнова кислота (РНК)

• 
  Кислотне озеро, гора Катмай, 1980
• 
  Кислі води Ріо-Тінто, кислої річки в Іспанії
• 
  Горгулья атакована кислотністю повітря та опадами в Мюнхені.
• 
  Ліс знищений кислотними дощами в Центральній Європі

• Кислота Бренстеда
• Кислота Льюїса
• Псевдокислота
• Жирні кислоти
• Амінокислоти

• Деркач Ф. А. Хімія. — Львів : Львівський університет, 1968. — 312 с.
• Глосарій термінів з хімії / укладачі: Й. Опейда, О. Швайка ; Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет. — Донецьк : Вебер, 2008. — 738 с. — ISBN 978-966-335-206-0.

• Кислоти [Архівовано 20 Квітня 2016 у Wayback Machine.] // ЕСУ