Кіріспе

қышқылдар химияда Протон беретін немесе электрон жұбын қабылдайтын химиялық қосылыс. Қышқыл – протонды (яғни, сутегі ионын, H⁺) донор ретінде танылатын немесе электрон жұбымен ковалентті байланыс құратын молекула немесе ион, яғни Брёнстед-Лоури қышқылы. Қышқылдардың бірінші түрі – протон донорлары немесе Брёнстед-Лоури қышқылдары. Сулы ерітінділерде протон донорлары H₃O⁺ гидроний ионын түзетіп, Аррениус қышқылдары деп аталады. Брёнстед пен Лоури Аррениус теориясын сулы емес орталарды қамту үшін кеңейтті. Брёнстед немесе Аррениус қышқылының құрамында әдетте сутек атомы болады, ол H⁺ жоғалтқаннан кейін де энергиялық тұрғыдан тиімді химиялық құрылымға байланысқан күйде сақталады. Сулы Аррениус қышқылдарының сипаттамалық қасиеттері қышқылды практикалық тұрғыдан сипаттауға мүмкіндік береді. Қышқылдар сулы ерітінділерде қышқыл дәмімен, көк лакмусты қызыл түске бояп, тұздар түзетін негіздер мен кейбір металдармен (мысалы, кальциймен) әрекеттеседі. "Қышқыл" сөзі латын тілінен алынған "acidus" сөзінен шыққан, мағынасы – "қышқыл". Қышқылдың сулы ерітіндісінің pH көрсеткіші 7-ден төмен болады және оны әдетте "қышқыл" деп атайды (мысалы, "қышқылда еріген"), бірақ қатаң анықтамада бұл тек еріген затқа қатысты. Керісінше, көптеген Льюис қышқылдары Аррениус немесе Брёнстед-Лоури қышқылдары емес. Қазіргі терминологияда қышқылды әдетте Брёнстед қышқылы деп қарастырады, Льюис қышқылы деп нақты айтпаса. Қышқыл-негіз конъюгат жұптары бір протонмен ерекшеленеді және протонды қосу немесе жоғалту арқылы бір-біріне айналуы мүмкін (сәйкесінше протондану және депротондану). Қышқыл зарядталған түрде, ал конъюгат негіз бейтарап түрде болуы мүмкін, сондықтан жалпы реакция схемасын былай жазуға болады: HA⁺ ⇌ H⁺ + A⁻. Ерітіндіде қышқыл мен оның конъюгат негізі арасында тепе-теңдік орнатылады. Тепе-теңдік тұрақтысы K, ерітіндідегі молекулалардың немесе иондардың тепе-теңдік концентрацияларын көрсетеді. Қашандар концентрацияны білдіреді, мысалы, [H₂O] – H₂O концентрациясы. Қышқыл-негіз реакцияларының контекстінде қышқылдық диссоциация тұрақтысы Ka қолданылады. Ka-ның сандық мәні өнімдердің концентрацияларының көбейтіндісін реактивтердің концентрациясына бөлгенге тең, мұнда реактив – қышқыл (HA), ал өнімдер – конъюгат негіз және H⁺. Екі қышқылдың ішіндегі күштісінің Ka мәні әлсіз қышқылға қарағанда жоғары болады, күшті қышқылдағы сутегі иондарының концентрациясы жоғарырақ болады, себебі күшті қышқыл протонды жоғалтуға бейім. Ka-ның мүмкін мәндерінің диапазоны өте кең болғандықтан, pKa тұрақтысы жиі қолданылады, онда pKa = −log₁₀Ka. Күшті қышқылдардың pKa мәні әлсіз қышқылдарға қарағанда кіші болады. 25 °C температурадағы сулы ерітіндіде эксперименттік жолмен анықталған pKa мәндері оқулықтар мен анықтамалық материалдарда жиі келтіріледі.

Қышқылдық беріктігі

Қышқылдың күші – оның протонды жоғалту қабілеті немесе бейімділігімен сипатталады. Күшті қышқыл – суда толық диссоциацияланатын қышқыл; яғни, күшті қышқыл HA-ның бір молі суда ерігенде H+ және конъюгатты негіздің бір молін (A−) береді, ал протондалған қышқыл HA қалдырмайды. Керісінше, әлсіз қышқыл тек ішінара диссоциацияланады және тепе-теңдікте ерітіндіде қышқыл мен конъюгатты негіздің екеуі де болады. Күшті қышқылдардың мысалдары: тұз қышқылы (HCl), йодсутек қышқылы (HI), бромсутек қышқылы (HBr), перхлор қышқылы (HClO4), азот қышқылы (HNO3) және күкірт қышқылы (H2SO4). Суда олардың әрқайсысы шамамен 100% иондалады. Қышқылдың күші неғұрлым жоғары болса, ол протонды (H+) соншалықты оңай жоғалтады. Депротондаудың оңайлығына екі маңызды фактор әсер етеді: H—A байланысының полярлығы және A атомының мөлшері, ол H—A байланысының күшін анықтайды. Қышқылдың күші конъюгатты негіздің тұрақтылығы тұрғысынан да қарастырылады. Күшті қышқылдар әлсіз қышқылдарға қарағанда үлкен қышқыл диссоциациясы тұрақтысы (Ka) мен төмен pKa мәніне ие. Сульфон қышқылдары – органикалық оксиқышқылдар класына жатады және күшті қышқылдар болып табылады. Көрінетін мысалы – толуолсульфон қышқылы (тозил қышқылы). Күкірт қышқылынан айырмашылығы, сульфон қышқылдары қатты күйде болуы мүмкін. Шындығында, сульфонатпен функционалдастырылған полистирол – сүзілетін, күшті қышқылды пластик. Суперқышқылдар – 100% күкірт қышқылынан күшті қышқылдар. Суперқышқылдардың мысалдары: фторантимон қышқылы, «магиялық» қышқыл және перхлор қышқылы. Ең күшті қышқыл – гелий гидрид ионы, оның протондық туыстығы 177,8 кДж/моль құрайды. Суперқышқылдар суды тұрақты түрде протондап, иондық, кристалдық гидроний «тұздарын» түзетін болады. Олар сондай-ақ карбокатиондарды сандық түрде тұрақтандыра алады. Ka қышқыл қосылысының күшін өлшейтін болса, қышқылдың сулы ерітіндісінің күші pH арқылы өлшенеді, ол ерітіндідегі гидроний концентрациясының көрсеткіші. Қышқыл қосылысының судағы қарапайым ерітіндісінің pH-ы қосылыстың сұйылтылуымен және оның Ka мәнімен анықталады.

Сулы емес ерітіндідегі Льюис қышқылының концентрациясы

Льюис қышқылдары ЭКВ моделінде жіктеледі және қышқылдық күшінің бір ғана реті жоқ екені көрсетілді. Льюис қышқылдарының негіздер тізбегіне қатысты салыстырмалы қабылдау күшін басқа Льюис қышқылдарымен салыстырғанда СВ диаграммалары арқылы көрсетуге болады. Льюис қышқылының күшінің ретін анықтау үшін кем дегенде екі қасиетті ескеру қажет екені дәлелденді. Пирсонның сапалық HSAB теориясы үшін бұл қасиеттер – қаттылық және күш, ал Драгоның сандық ECW моделі үшін – электростатикалық және коваленттік.

Әлсіз қышқыл-әлсіз негіз тепе-теңдігі

Протонды қышқыл протон жоғалтуы үшін жүйенің pH көрсеткіші қышқылдың pKa-сынан жоғары болуы тиіс. Бұл негіздік ерітіндідегі H+ концентрациясының төмендеуі тепе-теңдікті конъюгатты негіз түріне (қышқылдың депротонталған түріне) қарай жылжиды. Төмен pH (көбірек қышқылды) ерітінділерде, қышқылдың протонды түрінде қалуына жеткілікті H+ концентрациясы бар. Әлсіз қышқылдар мен олардың конъюгатты негіздерінің тұздары буферлік ерітінділер құрайды.

Титрлеу

Қышқылдың сулы ерітіндідегі концентрациясын анықтау үшін, әдетте қышқыл-негіз титрлеуі жүргізіледі. Белгілі концентрациядағы, көбінесе NaOH немесе KOH сияқты күшті негіз ерітіндісі, қышқыл ерітіндісін нейтралдау үшін қолданылады. Нейтралдау, индикатордың түсі өзгеруіне қарай, қосылған негіз мөлшерімен анықталады. Негізбен титрленген қышқылдың титрлеу қисығы екі осьтен тұрады: x осьінде негіздің көлемі, ал y осьінде ерітіндінің pH мәні көрсетіледі. Ерітіндіге негіз қосылғанда, ерітіндінің pH мәні әрқашан артады.

Мысал: Дипрот қышқылы

Әрбір екіпротонды қышқылдың титрлеу қисығында солдан оңға қарай екі орта нүкте, екі эквиваленттік нүкте және екі буферлік аймақ кездеседі.

Теңдестік ұпайлар

Бірінен соң бірі жүретін диссоциация процестерінің нәтижесінде дипрот қышқылының титрлеу қисығында екі эквиваленттік нүкте болады. Бірінші эквиваленттік нүкте, бірінші ионданудан алынған барлық бірінші сутегі иондары титрленген кезде пайда болады. Яғни, қосылған OH− мөлшері бірінші эквиваленттік нүктеде H2A-ның бастапқы мөлшерімен тең болады. Екінші эквиваленттік нүкте барлық сутегі иондары титрленген кезде пайда болады. Сондықтан, қосылған OH− мөлшері осы кезде H2A мөлшерінің екі есесіне тең. Күшті сілтімен титрленген әлсіз дипрот қышқылы үшін екінші эквиваленттік нүкте, ерітіндідегі түзілген тұздардың гидролизіне байланысты 7-ден жоғары pH-та болуы керек. Қисықтың ортасында орта нүктесі орналасқан әрбір бөлігі буферлік аймақ деп аталады. Буферлік аймақтар қышқыл мен оның конъюгацияланған сілтісінен тұратындықтан, келесі эквиваленттік нүктеге дейін сілті қосылғанда pH өзгерісіне қарсы тұра алады.

Өнеркәсіпте

Қышқылдар қазіргі заманғы өнеркәсіптегі дерлік барлық процестерді өңдеудегі негізгі реагенттер болып табылады. Күкірт қышқылы – дипрот қышқыл, өнеркәсіпте ең көп қолданылатын қышқыл және әлемде ең көп өндірілетін өнеркәсіптік химиялық зат. Ол негізінен тыңайтқыш, жуғыш заттар, батареялар және бояулар өндіруде, сондай-ақ көптеген өнімдерді өңдеуде, мысалы, қоспаларды жою сияқты жұмыстарда қолданылады. 2011 жылғы статистикалық деректерге сәйкес, күкірт қышқылының жылдық өндірісі әлем бойынша шамамен 200 миллион тоннаны құрады. Мысалы, фосфат минералдары күкірт қышқылымен реакцияға түсіп, фосфат тыңайтқыштарын өндіру үшін фосфор қышқылын түзетіп шығарады, ал мырыш мырыш оксидін күкірт қышқылында ерітіп, ерітіндіні тазарту және электролиз арқылы алынады. Химиялық өнеркәсіпте қышқылдар бейтараптандыру реакцияларында тұздарды пайда етеді. Мысалы, азот қышқылы аммиакпен әрекеттесіп, тыңайтқыш болып табылатын аммоний нитратын шығарады. Сонымен қатар, карбон қышқылдарын спирттермен эфирлендіру арқылы эфирлер алуға болады. Қышқылдар көбінесе металдардан тотығу және басқа да коррозияны жою үшін қолданылады, бұл процеске «тазарту» дейді. Олар ылғалды аккумуляторда электролит ретінде де пайдаланылуы мүмкін, мысалы, автомобиль аккумуляторындағы күкірт қышқылы.

Тамақта

Тартар қышқылы піспеген манго және тамаринд сияқты көп қолданылатын тағамдардың маңызды құрамына кіреді. Табиғи жемістер мен көкөністерде де қышқылдар болады. Лимон қышқылы апельсин, лимон және басқа да цитрус жемістерінде кездеседі. Оксаль қышқылы помидорларда, шпинатта, әсіресе карамбола мен раубарбада таралған; раубарба жапырақтары мен піспеген карамболалар оксаль қышқылының жоғары концентрациясының салдарынан уытты. Аскорбин қышқылы (С витамині) адам организміне қажетті витамин болып табылады және амла (үнді бидайы), лимон, цитрус жемістері мен гуава сияқты тағамдарда кездеседі. Көптеген қышқылдар әртүрлі тағамдарға хоштандырғыш ретінде қосылады, олар дәмді өзгертеді және консерванттардың қызметін атқарады. Мысалы, фосфор қышқылы кола сусындарының құрамында болады. Сирке қышқылы күнделікті өмірде сірке суы ретінде қолданылады. Лимон қышқылы соустар мен тұздамаларды сақтау үшін консервант ретінде пайдаланылады. Көмір қышқылы – газдалған сусындарға ең көп қосылатын қышқыл қоспаларының бірі. Өндіріс процесінде көмірқышқыл газын еріту арқылы осы сусындарға қысым түсіріледі, нәтижесінде көмір қышқылы пайда болады. Көмір қышқылы өте тұрақсыз және бөлме температурасы мен қысымында су мен көмірқышқыл газына ыдырайды. Сондықтан, мұндай сусындардың бөтелкесі немесе банкасы ашылғанда, көмірқышқыл газының көпіршіктері шығып, сусындар құрқылдап, көпіршіктейді. Кейбір қышқылдар дәрілік мақсатта қолданылады. Ацетилсалицил қышқылы (аспирин) ауырсынуды басады және температураны төмендетуге көмектеседі.

Адам ағзасындағы

Қышқылдар адам организмінде маңызды рөл атқарады. Асқазандағы тұз қышқылы ірі және күрделі тағам молекулаларын ыдыратып, ас қорытуға көмектеседі. Аминқышқылдары организм тіндерінің өсуі мен жаңаруына қажетті ақуыздарды синтездеу үшін қажет. Майқышқылдары да организм тіндерінің өсуі мен жаңаруына қажет. Нуклеин қышқылдары ДНК және РНК-ны жасау және гендер арқылы ұрпаққа қасиеттерді жеткізу үшін маңызды. Көмір қышқылы организмдегі pH тепе-теңдігін сақтау үшін маңызды. Адам организмінде әртүрлі органикалық және бейорганикалық қосылыстар бар, олардың ішінде дикарбоксил қышқылдары көптеген биологиялық процестерде маңызды рөл атқарады. Олардың көпшілігі аминқышқылдары болып табылады, олар негізінен ақуыздарды синтездеу үшін материал ретінде қолданылады. Басқа әлсіз қышқылдар өздерінің конъюгацияланған негіздерімен бірге буферлік рөл атқарып, организмнің pH деңгейінің жасушаларға зиян келтіретін үлкен өзгерістерге ұшырауына жол бермейді. Қалған дикарбоксил қышқылдары да адам организміндегі әртүрлі биологиялық маңызды қосылыстардың синтезіне қатысады.

Қышқыл катализаты

Қышқылдар өнеркәсіптік және органикалық химияда катализаторлар ретінде қолданылады; мысалы, күкірт қышқылы бензин өндіру үшін алкилдеу процесінде өте көп мөлшерде пайдаланылады. Күкірт, фосфор және тұз қышқылдары сияқты кейбір қышқылдар да сусыздандыру және конденсация реакцияларын жүзеге асырады. Биохимияда көптеген ферменттер қышқылдық катализді қолданады.