Чем отличаются кислотные и окислительные свойства?

Кислоты могут иметь два важных химических свойства – кислотные и окислительные. Поскольку оба термина содержат корень, связанный со словом «кислота», это часто вызывает путаницу у сдающих ЕГЭ по химии. Существует ошибочное представление о том, что кислотные свойства связаны с окислительными и что, например, сильные кислоты обязательно являются сильными окислителями. В этом материале мы подробно разберем отличия в этих свойствах.

Содержание

1. Кислотные свойства.  
2. Окислительные свойства.  
3. Связь кислотных и окислительных свойств.  
 

1. Кислотные свойства.

Любую кислоту можно схематично представить как HX, где Н – водород, а X – кислотный остаток. При этом лучше писать водород в виде катиона Н⁺, а кислотный остаток в виде аниона X^-. HX – это одноосновная кислота, то есть такая, в которой только один водород способен заменяться на катион, например, металла. Продукт такой замены будет называться солью. Бывают также двухосновные, трехосновные и даже многоосновные кислоты, в них соответственно два, три и большее число атомов водорода способны обмениваться на катион. Поэтому двухосновную кислоту можно записать как H₂X (Н⁺ - водород, а X^2- - кислотный остаток), а трехосновную как H₃X (H⁺ - водород, а X^3- - кислотный остаток).

Почему, обсуждая кислоты, мы вообще завели речь об ионах Н⁺ и анионах X^-, X^2- и X^3-? Потому что в водном растворе кислоты подвергаются процессу электролитической диссоциации, то есть распаду на ионы. Поэтому при растворении кислоты в воде мы вполне может увидеть результат такого распада, то есть сами ионы. Процесс, если брать одноосновную кислоту, описываются следующим уравнением:

HX ⇆ H⁺ + X^-

Но есть важный момент. Дело в том, что этот процесс распада кислоты на ионы может протекать по-разному. Бывает, что HX хорошо распадается, и тогда мы видим много ионов H⁺ и X^- и мало молекул нераспавшейся кислоты HX. И бывает наоборот, когда молекул нераспавшейся кислоты HX много, а ионов H⁺ и X^- мало. Иными словами, процесс распада кислоты на ионы может протекать с разной глубиной. Вот именно с этим - и только с этим! – и связаны понятия «сильная кислота» и «слабая кислота». Сильная кислота – это такая, которая очень хорошо распадается на ионы, а слабая – это такая, которая распадается плохо.

В школьном курсе понятия сильной и слабой кислоты мы определяем оценочно. Но в действительности силу кислоты можно описать точным математическим выражением. Для этого следует ввести понятие константы диссоциации кислоты, которое обозначается как К_а и определяется как отношение произведений равновесных концентраций ионов после диссоциации к равновесной концентрации нераспавшейся кислоты в молекулярной форме.

HX ⇆ H⁺ + X^-

Здесь запись [H⁺], [X^-] и [HX] означает равновесные концентрации соответствующих ионов и нераспавшейся кислоты. Понятно, что Ka пропорциональна концентрациям ионов и обратно пропорциональна концентрации кислоты. Поэтому чем сильнее кислота, тем лучше она распадается на ионы, тем выше концентрация этих ионов в растворе и тем выше значение К_а. Химики еще часто оперируют величиной, которая обозначается как рK_a. Это отрицательный десятичный логарифм константы диссоциации, то есть:

pK_a = -lgK_a

Тогда понятно, что чем сильнее кислота, тем выше K_a и тем ниже pK_a. 

Для лучшего представления о порядках величин K_a и pK_a можно привести три примера.

Соляная кислота HCl является очень сильной кислотой, фосфорная H₃PO₄ - кислотой средней силы и уксусная CH₃COOH – слабой кислотой. Обратите внимание, что для фосфорной кислоты мы привели только первую ступень диссоциации, которая описывается уравнением:

H₃PO₄ ⇆ H⁺ + H₂PO₄^-

Между тем фосфорная кислота является трехосновной, поэтому возможна дальнейшая диссоциации по второй и третьей ступеням:

H₂PO₄^- ⇆ H⁺ + HPO₄^2-
HPO₄^- ⇆ H⁺ + PO₄^3-

Однако эти процессы протекают в гораздо меньшей степени, поэтому фактически сила фосфорной кислоты определяется первой ступенью диссоциации.

Ниже приводится таблица важнейших кислот, которые могут встретиться на ЕГЭ по химии, по силе.

Теперь мы можем сформулировать главный вывод:

Кислотные свойства связаны со способностью кислоты отдавать катион Н⁺ в результате электролитической диссоциации. Тем лучше кислота отдает катион Н⁺, тем она сильнее.

2. Окислительные свойства.

Если кислотные свойства кислоты связаны с ее способностью отдавать катион Н⁺, то окислительные к этому процессу не имеют никакого отношения. Быть окислителем – значит иметь способность забирать электроны у другого атома. Этот другой атом, который отдает электроны окислителю, будет соответственно называться восстановителем. Процессы можно описать следующим образом:

Окислитель:  A + ne^- = A^-n
Восстановитель: B – ne^- = B⁺ⁿ

Здесь схематично показано, что окислитель, то есть атом А, принял n электронов и понизил свою степень окисления до –n, а восстановитель, то есть атом B, отдал n электронов и поднял свою степень окисления до +n. 

Во-первых, нужно понимать, что окислительные или восстановительные свойства в конечном счете связаны с конкретным атомом А или B. Поэтому, когда окислителем или восстановителем называют целую молекулу, под этим подразумевается, что в ее составе есть атом окислителя или восстановителя. Во-вторых, из указанной выше схемы может создаться впечатление, что A и B до приема или отдачи электронов обязательно имели степень окисления 0. Конечно, это не так. Их исходная степень окисления может разной, не только 0. В-третьих, число отданных или принятых электронов n тоже может быть разным: 1, 2, 3 и выше.

Окислительные свойства могут проявлять разные классы соединений, то есть не только кислоты. Но мы в данном материале рассматриваем только кислоты. Есть два важных понятия, применяемых к кислотам – это кислота-окислитель и кислота-неокислитель. Дадим им определения.

Если кислота участвует в ОВР и атомом-окислителем в ней является атом кислотного остатка, то такая кислота называется кислотой-окислителем. 

Две самые главные кислоты-окислителя в курсе ЕГЭ по химии – это концентрированная серная кислота, а также азотная кислота любой концентрации. Приведем примеры.

Cu + 2H₂SO₄ (конц.) = CuSO₄ + SO₂ + 2H₂O

Здесь атомом-окислителем выступает сера, которая меняет степень окисления с +6 в H₂SO₄ до +4 в SO₂. Этот атом серы входит в состав кислотного остатка SO₄^2-, следовательно, серная кислота является кислотой-окислителем.

Второй пример:

4Ca + 10HNO₃ = 4Ca(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O

Здесь атомом-окислителем является азот, который меняет степень окисления с +5 в HNO₃ до -3 в катионе аммония в NH₄NO₃. Этот атом азота входит в состав кислотного остатка NO₃^-, следовательно, азотная кислота является кислотой-окислителем.

Теперь определим, что такое кислота-неокислитель.

Если кислота участвует в ОВР и атомом-окислителем в ней является водород, то такая кислота называется кислотой-неокислителем.

Приведем примеры.

Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂

Здесь хлор, образующий кислотный остаток, не поменял степень окисления сохранив ее -1. А вот водород поменял с +1 в HCl до 0 в H₂. То есть реальным окислителем является водород, следовательно, HCl – кислота-неокислитель.

Второй пример.

Li + H₂SO₄ (разб.) = Li₂SO₄ + H₂

Здесь сера, входящая в кислотный остаток SO₄^2-, сохраняет степень окисления +6. А вот водород снова меняет ее с +1 в H₂SO₄ до 0 в H₂. Следовательно, разбавленная серная кислота является кислотой-неокислителем. Напомним, что концентрированная серная кислота становится наоборот кислотой-окислителем.

Здесь требуется пояснить чуть подробнее. Кислоту, даже если в ней реальным окислителем выступает H+, все равно можно называть окислителем. Поэтому если при обсуждении конкретной ОВР нужно назвать окислитель и восстановитель, то мы, безусловно, назовем кислоту окислителем. Но с точки зрения классификации окислительных свойств кислот как класса соединений, кислота-неокислитель – это тип кислоты, в которой кислотный остаток не выступает реальным окислителем.

В качестве примеров кислот-неокислителей можно привести HCl, HBr, HI, H₃PO₄, H₂S и другие. Здесь важное отметить следующее. Казалось бы, если атом неметалла в кислотном остатке находится в высокой степени окисления, он может ее понижать, то есть принимать чужие электроны, и соответственно быть окислителем. Тем не менее это не всегда так. H₃PO₄ (несмотря на высокую степень окисления фосфора +5), H₂CO₃ (несмотря на высокую степень окисления углерода +4) и H₂SiO₃ (несмотря на степень окисления кремния +4) не являются кислотами-окислителями.

Силу окислительной способности кислот-окислителей тоже можно точно выразить количественно. Для этого в электрохимии существует понятие стандартного электродного потенциала. Однако на этой теме мы останавливаться подробно не будем, потому что она не входит в программу ЕГЭ. Повторим главное:

Окислительные свойства кислот связаны исключительно с их способностью входящих в их состав атомов забирать электроны других атомов.

3. Связь кислотных и окислительных свойств.

Мы установили, что кислотные свойства связаны с отщеплением катиона Н⁺, а окислительные – с отнятием электронов у других атомов. То есть, как видно, это совершенно разные процессы. И действительно, связи между силой кислотных свойств и силой окислительных свойств нет никакой. Бывают сильные кислоты, которые проявляют слабые окислительные свойства (то есть окислителем может быть только Н⁺ в реакциях с активными металлами). И бывают слабые кислоты, которые являются сильными окислителями. Возможны вообще любые комбинации: сильная кислота/сильный окислитель, слабая кислота/слабый окислитель, сильная кислота/слабый окислитель и слабая кислота/сильный окислитель. Примеры таких кислот приведены в таблице ниже.

Поэтому не нужно смешивать кислотные и окислительные свойства, они никак не связаны.