Значення кислот

Що таке кислота? Можна сказати, що це одна з найпоширеніших хімічних речовин. Ще це найважливіший продукт господарства і сировина для різних галузей хімічної промисловості — майже жоден технологічний процес не обходиться без участі в ньому кислот. А роль кислот в живому організмі? Вони постачають необхідні йому іони водню та інших елементів. Наша підшлункова залоза — мікрозавод з виробництва соляної кислоти, без якої порушується процес травлення. Кислоти входять до складу величезних молекул ДНК і РНК… Багато цікавого можна ще розповісти про них. Але все це — ще не відповідь на поставлене питання, яке, як виявилося, скрутне навіть для вчених, що постійно спілкуються з кислотами.

У чому ж проблема? Чому в наш час, коли вдалося розшифрувати структуру складних органічних молекул, коли вчені вже заглядають всередину елементарних частинок, збереглася така заповідна область в хімії? Можливо, тому, що немає чіткої основи для визначення основної властивості кислот — їх сили.

Це здається неймовірним. Адже перше, що кожен з нас на власному досвіді дізнається про кислоту, як раз і є уявлення про її здатність реагувати з іншими речовинами. За недбале поводження з сильною азотною кислотою ми розплачуємося опіками на шкірі або, в кращому випадку, дірками в одязі, а розчином слабкої борної кислоти промиваємо дітям очі. Відомо, що азотна, сірчана кислоти бурхливо взаємодіють з металами, борна ж майже не вступає в хімічні реакції з ними. Так вже давно — з кінця позаминулого століття — хіміки на практиці легко і просто дізнаються, наскільки сильна кислота — для цього вони дивляться, якою мірою вона дисоціює (дисоціація — це розщеплення молекули на окремі іони) у водному розчині.

Навіть не кажучи вже про житейський «метод» визначення сили кислоти, далеко не бездоганний з точки зору техніки безпеки, слід визнати, що інші, суто наукові методи теж мають свої недоліки. Важко систематизувати кислоти по їх відношенню до металів, тому що вони визначаються не тільки властивостями кислоти, але і властивостями самого металу. Точно так само і вода — не інертний розчинник: вона зовсім не байдужа до розчиненої в ній кислоти і в принципі може налагодити з нею хімічні взаємовідносини. Отже, поняття «ступінь дисоціації» теж не цілком однозначне. Однак воно все ж виручає хіміків, які працюють з водними розчинами.

Але спробуйте увійти в становище тих, хто працює з кислотами в неводних розчинах. Їм-то як бути? От якби вдалося зв’язати властивості кислоти зі структурою її молекули…

Давайте ненадовго відвернемося від майже детективного сюжету, що розгортається перед нами, і озирнемося. Ми помітимо, що на сцені природи п’єси «Хімія» та «Фізика» грають, по суті, одні й ті ж виконавці. Тільки в традиційних хімічних діях атоми і молекули прикриті такими пишними шатами з страхітливих назв різних сполук і так скуті хімічними канонами, що за всім цим так само важко розгледіти фізичну основу їх поведінки, як у театрі масок розглянути справжнє обличчя актора. І в нашому випадку з кислотами теж не вдавалося зв’язати властивості молекул кислоти з їх внутрішньою електронною структурою. Але якби це сталося, тоді відпала б необхідність в «гаданні» на воді силу кислот.

Електронна ковдра

Відносну силу кислоти (тут і скрізь мова йде про протонні кислоти, що містять водень) можна визначити по її здатності віддавати протон. Тобто по зв’язку атома водню в молекулі кислоти. Вхопимося за цю нитку Аріадни і подивимося, куди вона нас приведе.

Як тільки окремі атоми з’єднуються в молекулу, частина їх особистого майна — зовнішні валентні електрони — узагальнюються. Вони утворюють електронну ковдру, що вкриває всю молекулу. Якщо ковдру рівномірно прикривають атоми, вони залишаються нейтральними. Але так відбувається тільки в тому випадку, коли атомні партнери з однаковою силою притягують до себе електрони. Насправді один з них завжди виявляється сильніше і частіше стягує їх на себе, оголюючи свого сусіда.

Саме так недружньо і веде себе кисень по відношенню до водню в молекулі кислоти. Від надлишку натягнутих на себе електронів він перетворюється на негативно заряджений іон кисню, а у водню просвічує позитивний заряд протона. Тепер, крім звичайних взаємовідносин у вигляді «натягнутого» обміну валентними електронами, між атомами водню і кисню виникає ще й іонний зв’язок — просто кажучи, тяжіння зарядів різного знака.

Активна поведінка атома кисню призводить до важливих наслідків: змінюється здатність кислоти віддавати при дисоціації у водному розчині свій протон. Чим сильніше відтягує на себе електрони атом кисню, тим легше протону в розчині вийти з-під його хімічної опіки! І ось чому. Поблизу молекули води існують сильні електричні поля. Вони не страшні атомам, добре прихованим електронним ковдрою Проте в кислотах рівноправності немає. Загальні електрони більшу частину часу проводять біля кисню. А позитивно заряджений протон і негативно заряджений іон кисню беззахисні перед дією електричних полів води. Кулонівські сили розщеплюють молекулу. Чим частіше перемагає кисень у боротьбі за володіння електронами, тим більше його електричний заряд, або, як кажуть хіміки, тим більше ступінь іоності зв’язку Н — О. А отже, і ступінь дисоціації кислоти.

Ось ниточка і привела нас до мети. Виявляється, силу кислоти можна пов’язати зі структурою її молекули, а точніше — з ймовірністю знаходження валентних електронів близько кисню. Такі міркування — не новина для хіміків, але в їх руках не було відповідного інструменту для вимірювання щільності електронної ковдри в різних місцях молекули. Справа не рухалася з місця до тих пір, поки на допомогу не прийшли фізики.

Плідний альянс

Група співробітників Лабораторії ядерних проблем вперше виявила рідкісну реакцію захоплення негативних пі-мезонів протонами — ядрами атомів водню. В результаті протон перетворюється в нейтрон і нейтральний мезон, який дуже швидко розпадається на два гамма-кванта. Елементарна логіка підказує: якщо можна точно встановити факт захоплення мезонів саме воднем, то, значить, пара гамма-квантів видасть присутність навіть одного водневого атома в складному хімічному з’єднанні. Добре, — скажете ви, — але яке відношення має все це до кислот і взагалі до хімії? Саме пряме.

Саме пряме, хоча спочатку ніхто з авторів цього відкриття і не думав, що мезони можуть якось допомогти розібратися саме у властивості кислот. Фізики були тільки здивовані тим, що хімічно зв’язані атоми водню зовсім втрачають властивий вільному водню «апетит» до мезонів і захоплюють їх приблизно в тисячу разів рідше. Однак, зацікавившись цим явищем провели цілу серію вимірювань, опромінюючи мезонами різні речовини, що містять водень. І ось що виявилося: «апетит» протонів залежить від характеру взаємовідносин атома водню з іншими атомами молекули. Сумнівів не залишалося: ядерна реакція чутливо реагувала на зміну електронної структури молекул. Розроблена модель великих мезомолекул допомогла розібратися в цьому цікавому фізичному явищі.

Разом із втратою «особистого» електрона, протон позбавляється власної посадочної площадки для мезона. От якщо він випадково застрягне в загальній електронній ковдрі, тобто утворюється велика мезомолекула, тоді у протона з’являється маленький шанс на захоплення мезона. Відбудеться воно чи ні — тепер цілком залежить від поведінки атома кисню.

В молекулі кислоти загальними валентними електронами в основному володіє кисень, а ймовірність захоплення мезона воднем тим менше, чим менше щільність електронів поблизу нього. Значить, варто лише підрахувати, скільки гамма-квантів вилітає з мішені, опромінюваної мезонами, і ми дізнаємося, наскільки сильно електрони відтягнуті від протона, тобто визначимо ступінь іоності зв’язку Н — О!

До використання цього фізичного явища в хімічних дослідженнях прийшли з двох сторін. Фізикам цікаво було використовувати виявлене ними явище, хімікам хотілося отримати в руки новий метод дослідження.

Альянс виявився плідним, і ось перший успіх. Для вимірювання ймовірності захоплення мезонів протонами в декількох кислотах знайшли розподіл щільності загальних електронів в молекулах. А потім ці кислоти розташували в ряд за ступенем іонності зв’язку Н — О. Виявилося, що точно в такому ж порядку розташовуються кислоти і по ступеню їх дисоціації.

Липкі молекули

Загальну картину благополуччя дещо псувала лише органічна щавлева кислота: дисоціації у водному розчині її відносять до кислот середньої сили, а в дослідах з мезонами вона проявила себе як сильна. У чому ж справа? Невже метод мезонного силоміра просто непридатний тут? Навпаки. Виявилася ще одна можливість. З її допомогою, може бути, вдасться глибше проникнути в природу дуже цікавого хімічного явища — водневих зв’язків.

З усього розмаїття існуючих у природі елементів тільки деякі, у тому числі кисень і азот, особливо небайдужі до водню. Навіть вичерпавши всі свої валентні можливості, вони все-таки утворюють з воднем сусідньої молекули додаткові, дуже слабкі і багато в чому ще загадкові водневі зв’язки.

За правилами «чистої» хімії воді належить кипіти при температурі -80°С. Про гарячий чай ми могли б тільки мріяти, якщо б не було водневих зв’язків. Але справа в тому, що вода в склянці, у ванні, в океані — це не просто скупчення окремих молекул, а нескінченний, складний, упорядкований хоровод з склеєних між собою водневими зв’язками частинок води. Кожен атом водню «тримається» не тільки за «свій» кисень, але і за кисень сусідньої молекули.

Всім відомий аміак кипить при температурі — 30°С, а не буде водневих зв’язків, температура опустилася б до -150°С! І тоді цю найважливішу хімічну сировину була б настільки ж складно отримувати, як і рідкий азот.

Водневі зв’язки на порядок слабше звичайних хімічних, але, тим не менш, їх вплив на наше життя величезний. Більш того, саме життя без них було б неможливе. Водневі зв’язки визначають і структуру носія генетичної інформації — подвійної спіралі молекули ДНК, та біологічну активність білків, що здійснюють обмін речовин в організмі.

Історія з щавлевою кислотою як раз і допомогла виявити чутливість мезонного методу до цих слабким сціплень, що виникають між атомами. Мабуть, дволикість щавлевої кислоти теж можна пояснити впливом водневих зв’язків. Вони склеюють попарно молекули кислоти, що атоми водню виявляються затиснутими між двома кисневими — своїм і тим, що належить іншій молекулі. Як показують спеціальні досліди у твердій щавлевій кислоті, протон дійсно пов’язаний «по руках і ногах».

Якщо протону, об’єднаному з киснем загальним електронним покривалом, і так дуже рідко вдається поніжитися під ним, то положення протона щавлевої кислоти ще гірше: адже кисень другої молекули теж володіє надлишком електронів і заряджений негативно. Тому він, трішки притягаючи до себе «чужий» протон, в той же час відштовхує його електрони, оголюючи його ще більше. А мезоний силомір фіксує цю додану силу впливу на електрони з боку сусіднього кисню, і кислота здається сильніше, ніж вона є насправді.

Робота з кислотами — це тільки початок, демонстрація можливостей нового методу. Мезони здобувають другу спеціальність Їх здатність швидко розбиратися в тому, в яких умовах знаходяться атоми водню в молекулах складних речовин, відкриває перед цими частками багато хімічних таємниць.

Цінність нового методу — в його можливості виділити зв’язок водню з іншими атомами, незалежно від складності хімічної сполуки. З допомогою мезонів можна промацати реальний розподіл густини валентних електронів в різних молекулах, що містять водень.

Зараз важко сказати, яке застосування мезонного методу виявиться найбільш цікавим.

Автор: В. Черногорова.