В этой статье рассматриваются различные способы получения кислот из оксидов.
Взаимодействие оксидов с водой
Самый распространенный способ получения кислот из оксидов - это взаимодействие оксида с водой. Многие оксиды неметаллов при реакции с водой образуют соответствующие им кислоты.
Например:
- Оксид серы (VI) SO3 при взаимодействии с водой образует серную кислоту:
SO3 + H2O → H2SO4
- Оксид фосфора (V) P2O5 реагирует с водой с образованием ортофосфорной кислоты:
P2O5 + 3H2O → 2H3PO4
- Оксид азота (V) N2O5 при контакте с водой превращается в азотную кислоту:
N2O5 + H2O → 2HNO 3
Из приведенных примеров видно, что кислотный оксид + вода = кислота. Этот метод чаще всего используется в лабораториях и промышленности для получения кислот из соответствующих им оксидов.
Гидролиз галогенидов металлов
Еще один распространенный способ - гидролиз галогенидов металлов. Некоторые галогениды при взаимодействии с водой образуют кислоту и галогеноводород.
Например, пентахлорид фосфора гидролизуется с образованием фосфорной кислоты и хлороводорода:
PCl5 + 4H2O → H3PO4 + 5HCl
Аналогичная реакция происходит и с хлоридом сурьмы (III):
SbCl3 + 3H2O → Sb(OH)3 + 3HCl
Полученный гидроксид сурьмы затем взаимодействует с избытком кислоты, образуя соль сурьмы.
Реакции замещения
Кислоты можно получить в результате реакций замещения - вытеснения менее сильной кислоты из ее солей более сильной кислотой. Например:
- Хлорид бария взаимодействует с серной кислотой с образованием хлороводорода:
BaCl2 + H2SO4 → BaSO4 + 2HCl
- Карбонат натрия реагирует с соляной кислотой, выделяя углекислый газ и хлорид натрия:
Na2CO3 + 2HCl → 2NaCl + H2O + CO2
Такие реакции позволяют получать хлороводородную, угольную и другие кислоты в зависимости от используемых реагентов.
Электролиз водных растворов
Некоторые кислоты, например серная или фосфорная, можно получить электролизом водных растворов солей этих кислот. При электролизе катионы металлов восстанавливаются до элементов, а анионы окисляются с образованием кислот:
2Na2SO4 + 2H2O → 2Na + O2 + 2H2SO4
Аналогично можно получать азотную, хлорную и другие кислоты.
Как получить кремниевую кислоту из оксида кремния
В отличие от других оксидов, оксид кремния SiO2 не взаимодействует напрямую с водой. Поэтому для получения кремниевой кислоты H2SiO3 используется двухстадийный процесс.
Сначала оксид кремния обрабатывают гидроксидом натрия, получая растворимую силикат-соль - силикат натрия:
SiO2 + 2NaOH → Na2SiO3 + H2O
Затем силикат натрия вытесняют более сильной серной кислотой с образованием нерастворимой кремниевой кислоты:
Na2SiO3 + H2SO4 → H2SiO3↓ + Na2SO4
Таким образом, оксид кремния сперва переводят в растворимую соль, а затем уже получают из нее кремниевую кислоту реакцией замещения.
Другие способы
Кроме перечисленных, существуют и другие методы получения кислот из оксидов или через промежуточные соединения:
- Окисление неметаллов или более простых соединений (серы, фосфора, азота)
- Горение органических веществ, содержащих галогены
- Восстановление концентрированных растворов азотной и серной кислот металлами
- Взаимодействие оснований или оксидов с кислотами
Подходящий метод выбирают в зависимости от типа оксида или доступности реагентов. Например, из оксида азота получить азотную кислоту проще всего, пропуская смесь оксидов азота через воду или раствор щелочи.
Каждый из способов имеет свои преимущества и ограничения. Выбор конкретного метода зависит от поставленной задачи и имеющихся условий.
Особенности получения неорганических и органических кислот
Существуют некоторые различия в способах получения неорганических и органических кислот из оксидов.
Большинство неорганических кислот образуются при взаимодействии соответствующих им оксидов неметаллов с водой или в результате реакций замещения. Такие методы подходят для получения серной, азотной, фосфорной и других распространенных неорганических кислот.
Органические кислоты, как правило, нельзя получить напрямую из оксидов углерода. Вместо этого используются различные многостадийные синтезы из исходных органических веществ или промежуточных соединений.
Например, для производства уксусной кислоты CH3COOH применяют следующие основные методы:
- Окисление этанола или бутана кислородом воздуха
- Карбонилирование метанола оксидом углерода(II)
- Гидролиз сложных эфиров (обычно ацетата метила CH3COOCH3)
Все эти процессы многостадийные, протекают в жидкой или газовой фазе, требуют использования катализаторов.
Лабораторные методы получения
В лабораториях для получения небольших количеств различных кислот чаще всего используют такие методы:
- Растворение кислотных оксидов в воде или разбавленных щелочах
- Гидролиз хлоридов и других солей
- Взаимодействие концентрированной серной кислоты с другими солями
Такие способы отличаются простотой осуществления и безопасностью. Они позволяют быстро получить небольшие количества многих распространенных кислот.
Например, разложение хлорида аммония концентрированной серной кислотой приводит к выделению газообразного хлороводорода, который можно поглотить водой, получая соляную кислоту:
NH4Cl + H2SO4 → (NH4)2SO4 + 2HCl↑
Технологические процессы
В промышленном производстве кислот широко применяются различные химические, электрохимические и биохимические методы.
Например, один из основных способов получения азотной кислоты - каталитическое окисление аммиака.
Сначала из воздуха и водорода получают аммиак. Затем аммиак окисляют кислородом воздуха в присутствии платиновых катализаторов. В результате образуется смесь оксидов азота, которую затем поглощают водой, получая азотную кислоту.
Для производства кислот в промышленных масштабах также широко используется электролиз расплавов или растворов солей, например:
- NaCl + H2O → Cl2 + NaOH
- 2NaOH + Cl2 → NaCI + NaClO + H2O
- 2NaClO → 2NaCl + O2
- O2 + H2O → 2H2O2
- H2O2 + 2HCl → 2H2O + Cl2
Этот метод может обеспечивать получение больших объемов хлороводородной и других галогеноводородных кислот из распространенного сырья.
Применение кислот
Получаемые из оксидов кислоты находят широкое применение в различных областях:
- Азотная и серная используются для производства удобрений
- Соляная применяется в органическом синтезе и пищевой промышленности
- Фосфорная входит в состав моющих средств
- Щавелевая используется при крашении тканей и дублении кожи
Кроме того, многие кислоты и их соли применяются в фармацевтической и химической промышленности для производства разнообразных веществ и материалов.
