Rūgštis

ĮVADAS

Prieš daugelį metų ežeruose knibždėte knibždėjo žuvų ir vėžių. Dabar jau taip nėra. Neretai ežero vanduo esti toks rūgštus, kad žuvys jame negali išgyventi. Kai skystis yra rūgštus, reiškia, kad jame yra rūgščių. Bet kas yra rūgštys?

Rūgštis yra molekulė ar jonas, galintis atiduoti vandenilio joną H+.

Mūsų aplinkoje yra daugybė žinomų ir vartojamų rūgščių. Jų yra vaisiuose, daržovėse, pieno produktuose. Tai obuolių, rūgštynių, citrinų, pieno, sviesto, vyno, acto, kavos ir kitos rūgštys.

Žmogaus organizme yra askorbo rūgšties (vitamino CC), aminorūgščių (įeina į baltymų sudėtį). Žmogaus skrandyje yra druskos rūgšties. Ji padeda virškinti maistą ir naikina bakterijas.

Vasarą nesėskite prie skruzdėlyno, nes ilgai jį įsiminsite: skruzdės ne tik įkanda, bet dar ir išvirkščia nuodų, kurių sudėtyje yra skruzdžių rūgšties HCOOH. Tropikų voras, gelbėdamasis nuo priešų, trykšteli skysčio, kuriame yra 84% acto rūgšties CH3COOH.

Buityje naudojama daug įvairių rūgštinių valiklių.

Lietaus vanduo taip pat truputį rūgštus, nes ore esantis anglies dioksidas tirpsta lietaus lašeliuose ir sudaro tirpalą – silpną anglies rrūgštį.

Po vasaros griaustinio lietaus vanduo taip pat parūgštėja, nes jame susidaro azoto rūgšties.

Dėl žmogaus veiklos susidarę įvairios rūgštys teršia atmosferą, daro žalą gamtai ir statiniams.

Taip pat nemažai kasdieninių namų apyvokos priemonių yra bazės, pvz.: soda, potašas, amoniako ttirpalas.

Nustatyti, ar tirpalas yra rūgštinis ar šarminis, galima, pavyzdžiui, vadinamuoju lakmuso popierėliu – sudrėkinus jį tuo skysčiu. Jei violetinis popierėlis parausta, skystis rūgštus; o jei pamėlynuoja, – šarminis.

Daugumos rūgščių skonis esti rūgštus, o bazių dažniausiai “muiliškas”. Vis dėl to ragauti, norint nustatyti, ar medžiaga rūgštis, ar bazė – ne per geriausia išeitis. Mat rūgštys ir bazės gali labai graužti audinius. Bazei ar rūgščiai patekus ant odos gleivinės, reikia tučtuojau nuplauti tą vietą vandeniu. Ypač svarbu ilgai ir kruopščiai skalauti įtiškus į akis, kitaip gali pakenkti regėjimui. Bazės paprastai esti pavojingesnės nei rūgštys.

Kai kurios rūgštys ir bazės, leidžiamos naudoti maisto produktų gamyboje – kaip maisto priedai, yra pateiktos sąraše medžiagų, kurias šiandien priimta laikyti saugiomis naudoti.

Pavojingos žmonių ssveikatai, degios, pavojingos aplinkai medžiagos žymimos specialiais ženklais. Pavojingų medžiagų sąraše yra ir rūgščių, ir bazių.

Rūgščių ir bazių reakcijos

Pavyzdys: Nukalkinimas

Kalkių apnašas, tarkim, kavos aparate ar ant plytelių vonioje galima pašalinti, pavyzdžiui, praskiesta acto rūgštimi CH3COOH. Kalkės CaCO3 sunkiai tirpsta vandenyje, tačiau tirpsta rūgštyse:

H+

CaCO3 + CH3COOH  Ca2+ + HCO3 + CH3COO

Taigi galutinis produktas čia – vandeninis jonų Ca2+, HCO3 ir CH3COO tirpalas. Jungtys tarp šių jonų silpnos, tad acto rūgštyje ištirpo sunkiai tirpstančios kalkės CaCO3, kurias ggalime nuplauti.

Pavyzdys: Kalkės gali neutralizuoti rūgštį

Ežeruose dėl oro taršos ištirpsta nemažai rūgščių. Danijoje ši problema ne tokia opi, nes gruntiniuose vandenyse daug kalkių CaCO3, o šias, kaip aprašyta praeitame pavyzdyje, rūgštys tirpina “sunaudodamos” H3O+ jonus:

H+

CaCO3 + H3O+  Ca2+ + HCO3 + H2O

Taigi čia matyti, jog šalinamos H3O+ jonus, kalkės mažina rūgštingumą. Rūgštėjančiame ežero vandenyje mažėja žuvų. Rūgščiose dirvose blogai auga žemės ūkio kultūros. Lietuvoje rūgščios dirvos paprastai kalkinamos.

Pavyzdys: Šnypščiančios tabletės

Kai kurių tablečių nuo galvos skausmo aktyvioji medžiaga yra acetilsalicilo rūgštis (CH3COOC6H4COOH). Tai kieta medžiaga, tabletėse sausai sumaišyta, pavyzdžiui, su natrio vandenilio karbonatu NaHCO3. kol sausa, joje niekas nevyksta. Tačiau įmetus tabletę į vandenį, ji ima tirpti, ir ją sudarančios medžiagos iš dalies suskyla į jonus:

NaHCO3(k.)  Na+ (v.t.) + HCO3 (v.t.)

CH3COOC6H4COOH + H2O  CH3COOC6H4COO + H3O+

Pavyzdys: Iš kur gruntiniame vandenyje kalkės?

Smulkūs žemėje gyvenantys gyvūnai, kaip antai kirmėlės ir vabalai, kvėpuoja taip pat kaip ir žmogus – t.y. įkvėpia deguonį, o iškvėpia anglies dioksidą.

Pro žemės sluoksnius prasisunkiantis lietaus vanduo dalį anglies dioksido ištirpina ir juo giliau (juo didesnis slėgis), juo daugiau vandenyje gali ištirpti anglies dioksido. Taip susidaro anglies rūgštis, ir vanduo tampa silpnai rūgštus.

Rūgštieji lietūs

Priešingai nei esame linkę manyti, tyras, vvisiškai neužterštas lietaus vanduo nėra neutralus, o silpnai rūgštus. Taip yra dėl to, kad lietaus vanduo iš oro paima anglies dioksido ir susidaro anglies rūgštis:

CO2 + H2O  H2CO3

Kas primaišo rūgščių į lietaus vandenį?

Lietaus vandens parūgštėjimą per pastaruosius dešimtmečius visų pirma lemia padidėję jame sulfitinės rūgšties, sieros rūgšties ir azoto rūgšties kiekiai.

Degant iškastiniam kurui, jame esanti siera reaguoja su ore esančiu deguonimi, ir susidaro sieros dioksidas:

S + O2  SO2

Sieros dioksidas lengvai tirpsta vandenyje ir, jam ištirpus lietaus vandenyje, susidaro sulfitinė rūgštis:

SO2 + H2O  H2SO3

Tačiau sieros dioksidas taip pat gali ir toliau reaguoti su ore esančiu deguonimi, prisijungdamas dar vieną O atomą:

2SO2 + O2  2SO3

O susidariusios SO3 molekulės tuoj pat jungiasi su atmosferos ore esančiomis vandens molekulėmis, ir susidaro sieros rūgštis H2SO4:

SO3 + H2O  H2SO4

Žalingas rūgščiųjų lietų poveikis

Rūgštieji lietūs kenkia ir gamtai, ir statiniams. Ežerai ir upeliai ilgainiui tampa rūgštūs, t.y.jų vandens pH sumažėja, o tai kenkia žuvims bei augalams. Žuvys geriausiai jaučiasi, kai pH didesnis kaip 5, o nukritus pH vertei žemiau 3, žūsta. Daugumos mokslininkų nuomone, rūgštieji krituliai yra ir vis didėjančio medžių nykimo priežastis. Medžių šaknis, lapus ar spyglius pažeidžia rūgščios iškrintančių teršalų dalelės.

Kaip kovojama su rūgštėjimu?

Pastaraisiais 10-20 metų buvo rimtai ssusirūpinta rūgščiųjų lietų problemomis. Visoje Vakarų Europoje kiekvieną sekundę į atmosferą išmetama apie 2 tonas NO2 bei SO2.

Oro tarša yra tarptautinė problema, nes teršalai nepaiso valstybinių sienų. Dujiniai teršalai vėjo išnešiojami labai toli – sieros ir azoto dioksidai gali iškristi net už 2000 km atstumu nuo savo “gimtinės”. Tik 4proc. Danijoje kasmet į atmosferą išmetamo NO2 iškrinta pačioje Danijoje. Užtat daug jo gaunama iš Anglijos. Ir kitos šalys “keičiasi” teršalais. Daugiausią rūgščių į Lietuvą atneša pietvakarių vėjai iš Lenkijos, kurioje kurui vartojama akmens anglis.

Sieros oksido išmetimą galima apriboti mažinant degaluose esančios sieros kiekį dar prieš sudeginant degalus. Kitas kelias – valyti dūmus jau po degimo. Šis metodas taikomas kūrenamosiose elektrinėse. Dūmai iš elektrinės praleidžiami pro vandeninį kalcio hidroksido tirpalą.

SVARBIAUSIŲJŲ RŪGŠČIŲ SAVYBĖS, GAVIMAS

Druskos rūgštis

Druskos rūgštis, arba vandenilio chlorido rūgštis, yra vandeninis vandenilio chlorido tirpalas. Bespalvis, aštraus kvapo, rūkstantis drėgname ore skystis. Techninė rūgštis (su priemaišomis) paprastai būna gelsvai žalsvos spalvos. Įprastinė rūgšties masės dalis tirpale – 36 proc., tankis 1,18 g/cm3.

Ji yra viena stipriausių rūgščių – aktyviai reaguoja su metalais, įtampų eilėje esančiais prieš vandenilį, juos oksiduodama:

Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2↑

Zn + 2H3O+ → Zn2+ + 2H2O + H2↑

Metalai druskos rūgštyje paprastai

tirpsta greičiau ir lengviau negu kitose rūgštyse. Druskos rūgštis neveikia švino, nes blogai tirpus švino chloridas, susidaręs metalo paviršiuje, apsaugo jį nuo tolesnio rūgšties poveikio.

Su stipriais oksidatoriais druskos rūgštis reaguoja kaip reduktorius:

+4 -1 +2 0

MnO2 + 4HCl → MnCl2 + Cl2↑ + H2O

Šios reakcijos dėka chlorą galima gauti loboratorijoje.

HCl reaguoja su silpnų rūgščių druskomis:

Na2CO3 + 2HCl → 2NaCl + H2O + CO2↑

Druskos rūgštį žinduolių skrandyje atrado viduramžių alchemikas Žanas Baptista Helmontas. Jis aatskleidė skrandžio sulčių rūgštingumo svarbą virškinimui.

Druskos rūgštį pramoniniu būdu pradėta gaminti XVI a., vokiečiui chemikui technologui Johanui Glauberiui atradus natrio chlorido ir sieros rūgšties reakciją. Vėliau druskos rūgštį imta gaminti iš vandenilio chlorido, kuris buvo sintetinamas iš vandenilio ir chloro – pašalinių kaustinės sodos gamybos produktų.

Sieros rūgštis

Sieros rūgštis, arba sulfato (VI) rūgštis, H2SO4 – stipri dviprotonė rūgštis, kurioje siera yra didžiausio oksidacijos laipsnio (+6). Bevandenė rūgštis – bespalvis, klampus, į aliejų panašus skystis, kurio tankis 1,9203 g/cm3, llydymosi temperatūra 10,45oC, virimo temperatūra 296,2oC.

Maišant sieros rūgštį su vandeniu išsiskiria daug šilumos, nes susidaro sieros rūgšties hidratai, kurių bendroji formulė H2SO4 • nH2O; čia n = 1,2,3,4,6.

↑

H2SO4 O → S – O – H <

O – H

molekulinė struktūrinė

Sieros rūgšties formulė

Sieros rūgšties formulę pirmasis nustatė J.Berselijus.

Praskiesta sieros rūgštis reaguoja su visais, įtampų eilėje esančiaisprieš vandenilį (išskyrus šviną), metalais:

Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2↑

Švinas netirpsta praskiestoje sieros rūgštyje, nes susidaro blogai tirpstančio sulfato PbSO4 plėvelė. Koncentruotoje rūgštyje šis sulfatas, kaip ir kiti blogai tirpūs sulfatai, tirpsta – reakcijos metu susidaro švino(II) vandenilio sulfatai:

PbSO4 + H2SO4 (konc.) → Pb(HSO4)2

Koncentruota sieros rūgštis yra stiprus oksidatorius ir gali oksiduoti net tokius neaktyvius metalus kaip varis:

0 +6 +2 +4

Cu + H2SO4 (konc.) → CuSO4 + SO2↑ + 2H2O

Geležis nereaguoja su koncentruota sieros rūgštimi, nes susidaro apsauginė geležies(III) oksido plėvelė. Todėl koncentruotą sieros rūgštį galima laikyti iir pervežti plieninėse cisternose.

Stipriais reduktoriais veikiama sieros rūgštis gali redukuotis net iki SO2, S arba H2S. procentinė šių medžiagų sudėtis priklausys nuo konkrečių reakcijos sąlygų:

+4 +2

SO2 + ZnSO4 + H2O

0 +6 0 +2

Zn + H2SO4 (konc.) S + ZnSO4 + H2O

-2 +2

H2S + ZnSO4 + H2O

Sieros rūgšties oksidacinės savybės pasireiškia ir reakcijose su kitais reduktoriais (S, C, H2S, HBr ir kt.):

+6 0 +4 +4

H2SO4 (konc.) + C → 2SO2↑ ++ CO2↑ + H2O

Sulfitinė rūgštis

Sulfitinė rūgštis, arba sulfato(IV) rūgštis, būna tik tirpale. Ji nepatvari, lengvai skyla į sieros(IV) oksidą ir vandenį:

H2SO3 → H2O + SO2↑

O – H

H2SO3 O – S = O

molekulinė struktūrinė

Sulfitinės rūgšties formulė

Kadangi ji yra silpna rūgštis, nors ir būdama dviprotonė, praktiškai jonizuojasi ir atskelia tik vieną vandenilio (oksionio) joną:

H2SO3 + H2O ← H3O+ + HSO3

Azoto rūgštis

Azoto atomas su trimis deguonies atomais sudaro 4 kovalentinius ryšius.

HNO3 H – O – N

molekulinė struktūrinė

Azoto rūgšties formulė

Tyrimai parodė, kad visų azoto ir deguonies atomų ryšių ilgiai vienodi, todėl tikslesnė struktūrinė formulė yra tokia:

H – O – N

Azoto, arba nitrato (V) rūgštis HNO3 – stipri vienprotonė rūgštis. Joje azoto oksidacijos laipsnis +5. ją atitinka azoto (V) oksidas N2O5. Laisva HNO3 yra bespalvis, troškus, aštraus kvapo rūkstantis skystis. Bevandenės rūgšties tankis 1,52 g/cm3, lydymosi temperatūra 42ºC, virimo 86ºC. Su vandeniu sudaro azeotropinį mišinį (69,8% HNO3 ir 30,2% H2O). Distiliuojant praskiestą azoto rūgštį kartu su sieros rūgštimi gaunama koncentruota azoto rūgštis, o šaldant – bevandenė. Šviesoje azoto rūgštis skyla, išskirdama rusvas NO2 dujas:

+5 -2 +4 0

4HNO3 → 2H2O + 4NO2↑ + O2↑

Ypač smarkiai ji reaguoja su metalais; ji neįveikia tik aukso, platinos ir kai kurių jos grupės metalų. Tokie metalai, kaip aliuminis, geležis, chromas, netgi kalcis, kuriuos lengvai tirpina praskiesta azoto rūgštis, yra atsparūs koncentruotai HNO3. Todėl koncentruotą azoto rūgštį galima laikyti ir transportuoti aliuminiuose arba plieniniuose balionuose. Pasyvinantis stiprios azoto rūgšties veikimas paaiškinamas tuo, kad metalai, susilietę su koncentruota azoto rūgštimi, sudaro paviršiuje labai ploną, akimi nematomą netirpią oksidų plėvelę:

0 +5 +3 +4

2Al + 6HNO3 → Al2O3 + 6NO2↑ + 3H2O

Azoto rūgštis yra stiprus oksidatorius. Reaguodama su metalais ji sudaro atitinkamas druskas – nitratus. Nitratams susidaryti pakanka nedaug HNO3; kita jos dalis reaguoja kaip oksidatorius ir priklausomai nuo metalo prigimties bei rūgšties koncentracijos redukuojasi iki NO2, NO, N2, N2O, NH3.

+4 +2

→ NO2 + Zn(NO3)2 + H2O

+2 +2

→ NO + Zn(NO3)2 + H2O

0 +5 0 +2

Zn + HNO3 → N2 + Zn(NO3)2 + H2O

+1 +2

→ N2O + Zn(NO3)2 + H2O

-3 +2

→ NH4NO3 + Zn(NO3)2 + H2O

Reakcijos pateiktos rūgšties koncentracijos mažėjimo eile. Koncentruotų HNO3 ir HCl mišinys (1:3) vadinamas karališkuoju vandeniu. Jis yra labai stiprus, tirpina net auksą.

Kaitinama koncentruota azoto rūgštis nemetalus oksiduoja iki rūgšties, pvz., sierą –– iki sieros rūgšties, fosforą – iki fosforo rūgšties:

0 +5 +6 +4

S + 6HNO3 → H2SO4 + 6NO2↑ + 2H2O

Pirmasis azoto rūgštį apibūdino arabų alchemikas Geberis šiais žodžiais: “Paimk svarą Kipro kuporoso (vario sulfato, kadangi žodis cuprum reiškia “Kipro metalą” – J.Ch.), 1½ svaro salietros ir ¼ svaro alūnų, perdistiliuok visa tai ir gausi skystį, kuris turi didelę tirpinimo galią. Rūgšties jėga labai padidėja, jeigu ji sumaišyta su amonio chloridu; po to ji tirpina ir auksą”. Čia kalbama apie HCl ir HNO3 rūgščių mišinį.

J.Glauberis XVII a. gavo azoto rūgštį iš salietros ir sieros rūgšties.

Fosforo rūgštis

Priklausomai nuo vandens ir fosforo (V) oksido molekulių santykio susidaro įvairios fosforo rūgštys: nH2O + nP2O5 → 2(HPO3)n (čia n = 3 – 8).

Metafosforo rūgštis (HPO3)n – polimerinė, panaši į stiklo masę, gerai tirpsta vandenyje.

Ortofosforo rūgštis, arba fosfato (V) rūgštis, H3PO4 paprastai vadinama fosforo rūgštimi. Ši rūgštis yra kieta, lengvalydė (lydymosi temperatūra 42,3ºC), bespalvė kristalinė medžiaga. Su vandeniu ji maišosi bet kokiu santykiu. Koncentruoti tirpalai yra sirupo klampumo.

O – H

H3PO4 H – O – P – O – H

molekulinė struktūrinė

Fosforo rūgšties formulė

Garinant H3PO4 susidaro stipresnė už ją diortofosfato rūgštis, arba difosfato (V) rūgštis:

2H3PO4 → H4P2O7 + H2O

Anglies rūgštis

Anglies rūgštis, arba karbonato (IV) rūgštis, H2CO3 yra be galo nepatvarus junginys. Vandeniniame tirpale ji praktiškai būna tik H3O+ ir HCO3 jonų pavidalo. Anglies (IV) oksido tirpimas – grįžtamoji reakcija. Kambario temperatūroje beveik visa H2CO3 (~99%) yra suskilusi į CO2 ir H2O. Oksonio jonų koncentracija anglies (IV) oksido prisotintame vandenyje yra tokia, kurios pakanka, kad lakmusas nusidažytų raudonai, bet ji yyra per maža, kad metilo oranžinis nusidažytų avietine spalva.

Beveik visas mineralinis vanduo yra su angliarūgšte (taip buityje vadinamas CO2). Jos pridedama pilstant vandenį versmės vietoje. Angliarūgštė pagerina mineralinio vandens skonį, tiksliau sakant, padeda išlaikyti tokį koks jis buvo vandeniui ištryškus iš žemės. Angliarūgštė dezinfekuoja vandenį (trukdo bakterijoms daugintis), pagerina jo gydomąsias savybes, paspartina medžiagų rezorbciją į kraują,skysčių pašalinimą iš organizmo. Gydoma ir angliarūgštės vandens voniomis. Vartojamas dirbtinis angliarūgštės vanduo – vanduo, prisotintas CO2.

Silicio rūgštis

Silicio rūgščių bendroji formulė nSiO2 •• mH2O. Rūgštys, kurios turi skirtingą vandens molekulių skaičių, lengvai virsta viena kita, todėl jų grynų negalima išskirti. Net tokia silpna rūgštis kaip anglies rūgštis išstumia silicio rūgštį iš vandeninių jos druskų tirpalų:

K2O • nSiO2 + H2CO3 → K2CO3 ++ nSiO2 + H2O

Susidaro baltos drebučių pavidalo silicio rūgšties nuosėdos – gelis. Jas išdžiovinus gaunamas silikagelis – bespalvė, akyta amorfinė medžiaga, turinti labai didelį savitąjį paviršių. Naudojama kaip adsorbentas. Silicio rūgšties apytikslė empirinė formulė yra H2SiO3.