Читать книгу Қышқылдық-негіздік әрекеттесу негіздері курсы бойынша әдістемелік нұсқау - Назгүл Дaлaбaевa - Страница 5

Оттекті қышқылдарды әдетте оксоқышқылдар деп атайды. Шартты түрде барлық оксоқышқылдарды екі үлкен топқа бөлуге болады: бейорганикалық қышқылдар мен органикалық қышқылдар. Бұл топтың әрқайсысы өз кезегінде кіші топтарға бөлінеді.

Оксоқышқылдардың жалпы саны көп. Бірақ олардың бәрінің практикалық маңызы бізге қажет емес. Адамзат жиі кездестіретін және бәріміздің өмірімізде білуге қажет болатын оксоқышқылдарды қарастырайық.

1.4.1 Оттек топшасы элементтерінің оксоқышқылдары

Ертеден күкірт қышқылын қышқылдардың анасы деп санағаны бәрімізге белгілі. Сол себептен осы қышқылдан бастаймыз. Сонымен бірге, күкірт, селен жіне теллурдан түзілген оксоқышқылдармен де танысамыз.

Күкірт қышқылы көп адамдарға таныс. Заманауи көліктер мен мотоциклдер қышқылды аккумуляторлармен жабдықталған және олардың иелері электролитті көбінесе аккумулятордың қышқылынан дайындайды. Бұл күкірт қышқылының концентрлі (92-96 %) ерітіндісі.

Күкірт қышқылы қалыпты жағдайда – май тәрізді, иіссіз, түссіз, ауыр сұйықтық (ρ = 1830 кг/м³). Ол 280 °C-де қайнайды, ал 10,4 °C-де мұзға ұқсайтын кристалдар түзіп қатады.

Күкірт қышқылының жоғары тұтқырлығы мен қайнау температурасының жоғары болуы оның молекулалары күшті ассоциацияланғандығын көрсетеді. Расында, құрылымдық зерттеулер бойынша, күкірт қышқылы кристалдық күйде қабаттық құрылысқа ие екен. Оның әрбір молекуласы көрші төрт молекуламен берік сутектік байланыспен байланысып, біріңғай кеңістіктік қаңқа түзеді. Сұйық күкірт қышқылының құрылысы қатты күкірт қышқылының құрылысы сияқты, тек кеңістіктік қаңқаның тұтастығы бұзылған және оны үнемі өзінің кескінін өзгертетін микрокристалдардың ұжымы деп санауға болады.

Шын мәнінде, күкірт қышқылының барлық құрылымдық ерекшеліктері және т.б. бойынша суға ұқсас. Мұнда судағы сияқты берік сутектік байланыстар, жоғары тұтқырлық, беттік қысым, балқу және қайнау температуралары тән. Диэлектр өткізгіштігі де жоғары. Ол 25 °C-де 100-ге тең. Осы себептен күкірт қышқылы өте жоғары диссоциацияланады және күкірт қышқылында кез келген затты еріткенде, барлық заттар иондарға ыдырайды. Осы себепке байланысты күкірт қышқылының суға қарағанда диссоциациясы жоғары. Қалыпты жағдайда күкірт қышқылының әрбір мыңдаған молекуласынан шамамен жетеуі мынадай сызба бойынша иондарға ыдырайды: H₂SO₄ ↔ H⁺ + HSO₄^-. Иондар бірден сольваттанады. Протондар мысалға, H⁺·H₂SO₄ немесе H₃SO₄⁺ иондарын түзеді. Олардың бөлме температурасындағы концентрациясы 0,135 моль/л құрайды. Бұл негізі көп, бірақ аз да емес. Таза күкірт қышқылы диссоциациялануынан суға қарағанда электрөткізгіштігі мың есе көп.

Күкірт қышқылының сумен ортақ қасиеттері көп. Бірақ айырмашылықтары да бар. Егер су молекуласында Н – О байланысы әлсіз полярлы және протон тартқыштығы қиын болса, онда күкірт қышқылында басқаша болады.

Молекуладағы байланыстардың ұзындығы S═O байланы-сын еселі, ал S – O (H) байланысын жалқы деп санауға болатындай. Осы себепке байланысты күкірт қышқылының жоғары қышқылдық қасиеттері байқалады, ал күкірт қышқылында қышқыл деп саналатын (CH₃COOH, H₃PO₄, HNO₃ және т.б.) көпте-ген заттарды еріткенде, олар бейтараптану реакциясына түсіп негіз сияқты болады. Тек кейбір хлор қышқылы HClO₄, фторсульфон қышқылы FSO₃H сияқты қышқылдарды күкірт қышқылында еріткенде, қышқыл рөлін атқарады (әлсіз қышқыл), яғни оларда протон күкірт қышқылына қарағанда жеңіл тартылады.

Күкірт қышқылы мен судың кейбір айырмашылықтарына қарамастан, олардың бір-біріне деген ерекше байланысы байқалады. Олар кез келген қатынаста араласады және жалпы формуласы мынадай бес гидрат түзіп әрекеттеседі: H₂SO₄·_nH₂O, мұндағы n=1; 2; 3; 4; 6. Сонымен бірге қоспа тіпті қайнап кететіндей жылу бөлінеді.

Күкірт қышқылын сумен араластыруға қатысты химиктерде ертеден бері қатаң ереже бар: «бірінші су, сосын аз аздан қышқыл құямыз, себебі керісінше болса қопарылыс болады». Сонымен бірге қышқылды жұқа түтікпен ыдыстағы ерітіндіні жаймен араластыра отырып құю керек. Ыдыс арнайы химиялық шыныдан жасалған, оның қабырғасы жұқа болуы керек. Мұнда қалың қабырғалы ыдыс жарамайды, себебі ыдыс қыздыру кезінде температураның бірден төмендеп не жоғарылауынан сынып кетуі мүмкін. Араластыру кезінде қышқылдың ыдыс түбіне құйылып жатқаны және су қабатына түсіп, ерітіндіні қыздырып, онымен жаймен әрекеттесетіні жақсы көрінеді.

Егер суды қышқылға құйса, онда су қышқылмен бірден әрекеттесіп, өте қатты қызып, қайнап, қышқылмен бірге шашылып, көзге, киімге, бетке тиіп кетуі де мүмкін.

Күкірт қышқылының суға қатты ұмтылысы оның органикалық заттардан суды тартып алатыны көрсетеді. Ол суды молекулалап емес, бөліктеп, яғни бір жерде ол Н сутек атомын тартып алады да, басқасынан ОН тобын тартып алады. Егер қышқыл жеткілікті мөлшерде алынса, онда ол органикалық затты тек көміртек қаңқасы қалатындай етіп жұлып ала алады. Бұл кезде зат көмірленеді. Мұндай операцияны химиктер әдетте олардың химиялық анализдерін бастамас бұрын, өсімдік нысандарымен жүргізеді.

Белгілі қызықты тәжірибе – тамшуыр арқылы концентрлі күкірт қышқылымен ағаш тақтаға жазған кезде жазу пайда болады, бұл ағаштың көмірленуін демонстрациялайды. Бастапқыдағы түссіз жазу бірнеше секундтан кейін қара түсті болады.

Күкірт қышқылы сумен белсенді әрекеттескенде, қышқылдың барлық молекулаларын иондарға ыдырата алатындай жылу мөлшері бөлінеді. Сондықтан да, күкірт қышқылы сұйытылған сулы ерітінділерде толық диссоциацияланады және күшті электролит болып саналады. Әрине, диссоциация нәтижесінде түзілген сутек иондары мен сульфат иондар міндетті түрде гидраттанған, себебі бұл энергетикалық өте тиімді. Бұл иондардың әрқайсысының толық гидраттану энергиясы шамамен 1100 кДж/молді құрайды.

Сульфат иондардың гидраттану энергиясы жоғары болғандықтан күкірт қышқылының барлық тұздары суда жақсы ериді. Тек қорғасын, кальций, стронций, барий сульфаттары ғана ерімейді, себебі олар суда және көптеген қышқылдарда да ерімейді. Химиктер бұл жағдайды ескеріп, сульфат иондарға сапалық реакцияны жасады. Егер соңғылары ерітіндіде болса, онда барийдің кез келген еритін тұзын қосқан кезде, сәйкесінше сілтілерде де қышқылда да ерімейтін, барийдің ақ тұнбасы BaSO₄ түзіледі.

Барий сульфатының жоғары инерттілігін химиктер кейбір тұрақсыз қосылыстарды синтездегенде кең қолданады. Мысалы, бәріне белгілі пергидрольді (сутек пероксидінің 30 %-дық ерітіндісі) сулы ерітіндіде алмасу реакциясы арқылы алады:

BaO₂ + H₂SO₄ = BaSO₄↓ + H₂O₂

Бұл кезде барий сульфаты практика жүзінде толық тұнбаға түседі, ал ерітіндіде таза сутек пероксиді қалады. Поликүкіртсутек, полиселенсутектер мен полифосфиндер және т.б. осылай алынған.

Қазіргі уақытта күкірт қышқылын әлем бойынша өндіру шамамен жылына 135 млн тоннаға жетеді және бұл көрсеткіш жыл сайын артуда.

Күкірт қышқылын әр түрлі мемлекетте әр түрлі алады. Көбінесе күкіртті немесе әр түрлі металдардың сульфидтерін күйдіреді және түзілген күкірт (IV) оксидін күкірттің (VI) оксидіне дейін ауадағы оттекпен немесе азот оксидімен тотықтырады. Соңғы жағдайда қыздырылған өршіткісі бар (Pt немесе V₂O₅) контакталық аппаратты қолданады. Контакталық аппараттан шыққан күкірттің (VI) оксидін концентрлі күкірт қышқылында ерітіп, алынған олеумды тұтынушыларға жеткізеді. Олеумды сумен абайлап араластырып, қажет концентрациядағы қышқылды алады.

Табиғатта күкірт қышқылы бос күйінде кездеспейді, себебі ол химиялық белсенді, көптеген металдармен, бейметалдармен, оксидтермен, гидроксидтермен және тұздармен жақсы әрекеттеседі. Сондықтан да күкірт қышқылының Жердегі пайда болған жері табылмаған. Бірақ оны өндірудің «табиғи зауыттары» бар екен. Бұны 30-шы жылдары белгілі кеңестік геохимик А.Е. Ферсман бекіткен. Қарақұм шөлінің ортасынан құрамы құмның қоспасы мен күкірттен құралған көптеген дөңдерді анықтайды. Геологтар күкірттің көптеген үлгілерін жинап алады. Мұндай жағдайда үлгілерді қағазға орап, заттаңбамен жабдықтап, жәшіктерге салады. Экспедицияны бітіріп, оларды Ленинградқа жібереді. Келген үлгілерді жиап жатқан кезде, көптеген заттаңбалар желініп кетіпті, жәшіктер болса күйген, ал күкірт бөлігі бар кейбір жерлерден май сияқты сұйықтық тамшылаған. Бұл сұйықтықты талдау нәтижесі оның күкірт қышқылы екенін көрсеткен.

Оның шешімі тез-ақ келген. Табылған күкіртті дөңдер – күкірт қышқылының табиғи өндірушілер екені белгілі болды. Ыстық шөл жағдайында қарқынды күн радиациясынан түзілген, атомдық оттек әсерінен, күкірт тез-ақ күкірттің (IV) оксидіне, сосын күкірттің (VI) оксидіне тотығады. Мұнда құмның құрамындағы металл оксидтері катализатор қызметін атқарады екен. Алынған күкіртті ангидрид түнгі ылғалды қызғана жұтып, тез-ақ қышқылға айналады. Табиған күкірт қышқылын осылай өндіреді. Осындай зауыттар мыңдаған жыл бойы болғанымен, өзендердегі таза күкірт қышқылын табу мүмкін болмады. Топырақпен әрекеттесіп, қышқыл сульфатқа айналады, сосын олар грунттық сулармен теңізге шығарылады.

Кейінірек күкірт қышқылы тек күкірт дөңдерімен ғана емес, атмосфераға түсетін күкірт қышқылы газының тотығуынан да өндірілетіні анықталды. Қазір бұл газ атмосфераға өте көп келуде. Қазіргі күні ол қоршаған ортаны ластаушылардың бірі болып табылады. Егер кезінде оның негізгі көздері жанартаулар болса, қазір олардан басқа әлемнің барлық өндірістері жылына шамамен 140-150 млнтонна күкірт қышқылын бөледі екен.

Атмосферада күкірт қышқылы газының көп мөлшері озонмен күкірт қышқылына дейін тотығады түзеді, ол сол сәтте-ақ жерге қышқыл жаңбыр болып жауады. Мұндай жауын астында өмір сүру жағымсыз болғандықтан, АҚШ, Франция сияқты және т.б. капиталисттік елдердің кәсіпкерлері өз зауыттарында және жылуэлектрстанцияларында биіктігі 400 метрге дейін түтіндік құбырларды жасай бастады. Оңтүстік желдері құбырдан шыққан түтіндерді ұстап алып, оларды ары қарай алып кететін болған. Бірақ жер шексіз емес. Ағылшын, француз, неміс газдарының мыңдаған тонналары Оңтүстік Скандинавияны жаулаған, соның салдарынан онда жылына жердің әрбір квадрат километріне күкірт қышқылының тоннасы тұнба болып түсетін болған. Бұл орманның көптеген ауруларына, топырақ эррозиясына әкелді және дәнді-дақылдар өсетін қабатты жауын-шашынның шайып кетуіне және т.б. әкеп соқты. Сонымен қатар, өзендегі барлық балықтар құрыды. Норвегияда зерттелген 150 өзеннің 145-і балықсыз қалды. Қазір осындай жағдай еуропа елдерінде де болып жатыр, бұл күкірт қышқылы газының салдарынан екені түсінікті. Сондықтан да РФ-да «Орман бүгін өліп жатыр. Біз ертең өлеміз» деген жазуды жиі кездестіруге болады.

Қоршаған ортаны қарқынды ластау салдарынан, барлық елдерде орманды, табиғатты қорғау үшін күрес басталып кетті. Кейбір елдерде тіпті жасылдар партиясы да пайда болды, олар өздерінің негізгі мақсаты ретінде адамзат өмір сүруі үшін адамның қажеттіліктерін жөнімен шектеп, қоршаған ортаны сақтауды қояды.

Күкірт қышқылы тек жерде ғана емес, мысалы Шолпанда да біраз мөлшері болады екен. Шолпанда болған ғарыштық аппараттар ондағы белгілі бір жер атмосферасында концентрлі күкірт қышқылынан жауын-шашын болатынын болжауға мүмкіндік береді. Бұл жауын-шашындар жер бетіне жетпейді. Себебі жер шары бетінің температурасы шамамен 470 °C болса, атмосфераның төменгі қабаттарында қышқыл буланып, қайтадан жоғарыға көтеріледі. Бұл атмосфераның әрекетіне шыдау үшін, ғарыш станцияларын қаптаудың химиялық тұрақтылығы қандай болу керектігін болжау қиын емес.

Күкірт қышқылының қайда қолданылатынын қарастырайық. Күкірт қышқылын өндірісінің шамамен жартысы минералдар өндірісіне кетеді екен. Фосфоритті күкірт қышқылымен қайта өңдеп, фосфор қышқылын алады, ал сосын одан суперфосфаттар, аммофостар, нитрофостар және т.б. тыңайтқыштарды өндіреді.

Күкірт қышқылының көп мөлшерін аккумулятор ерітінділерін дайындау үшін жолаушылар жұмсайды екен. Себебі қазір тек көліктер ғана емес, комбайндар, тракторлар, ұшақтар, өзен кемелері мен поездер де аккумулятормен жабдықталады. Сонымен бірге, күкірт қышқылды аккумуляторларда жұмыс істейтін электркөліктер де пайда болды.