Budowa kwasów

Kwasy zbudowane są z atomu lub atomów wodoru i reszty kwasowej. Ich wzór ogólny to:

HnR

H - atom wodoru

n - liczba atomów wodoru, wartościowość R

R - reszta kwasowa

Kwasy tworzy większość niemetali, a wyjątek stanowi węgiel, który z wodorem tworzy węglowodory, będące związkami organicznymi. Ich struktura ściśle zależy od składu, ponieważ w kwasach występują różne rodzaje wiązań.

Sole beztlenowe (zbudowane z metalu i niemetalu) podzielono z uwzględnieniem rodzaju wiązania chemicznego na:

  • związki jonowe charakteryzujące się:
  • występowaniem pierwiastków w formie jonów, wzajemnie się przyciągających
  • niemożnością wyróżnienia pojedynczych cząsteczek
  • wysokimi temperaturami topnienia oraz wrzenia
  • przewodnictwem prądu w stanie stopionym i w roztworach wodnych
  • duża różnica elektroujemności pomiędzy pierwiastkami ok. 1,7
  • przykłady: fluorek cezu CsF, chlorek sodu NaCl
  • związki kowalencyjne charakteryzujące się:
  • pomiędzy pierwiastkami występują wiązania atomowe
  • posiadają niskie temperatury topnienia oraz wrzenia
  • mogą utworzyć łańcuchy (siarczek krzemu SiS2), warstwy (azotek boru BN) albo struktury przestrzenne (węglik krzemu SiC)
  • mała różnica elektroujemności
  • przykłady: woda H2O i amoniak NH3
  • związki koordynacyjne
  • przykład: heksacyjanożelazian(II) potasu K4[Fe(CN)6]

Związki mogą również posiadać wiązania metaliczne, co jak sama nazwa wskazuje jest charakterystyczne dla metali. Związki wielkocząsteczkowe maja największą komplikacje w budowie, np. polimery: polifosforany, polikrzemiany.

Chemia nieorganiczna to część chemii zajmująca się badaniem składu, właściwości, struktury, sposobów otrzymywania oraz oczyszczania substancji nieorganicznych. Natomiast ich otrzymywaniem, zwłaszcza przemysłowym technologia chemiczna.

Podział kwasów z uwagi na resztę kwasową:

  • Tlenowe:
    • kwas siarkowy (IV) H2SO3
    • kwas siarkowy (VI) H2SO4
    • kwas fosforowy (V) H3PO4
    • kwas azotowy (V) HNO3
    • kwas azotowy (III) HNO2
    • kwas węglowy H2CO3
  • Beztlenowe:
  • kwas bromowodorowy HBr
  • kwas siarkowodorowy H2S 
  • kwas chlorowodorowy HCl
  • kwas jodowodorowy HI

Własności fizyczne

  • kwaśny smak
  • zazwyczaj ostry zapach (mocne kwasy)

Właściwości chemiczne

  • barwienie wskaźników (np lakmus na kolor czerwony)
  • reagują z wodorotlenkami z utworzeniem soli
  • roztwarzają wiele metali

Dysocjacja elektrolityczna

W roztworach wodnych kwasy ulegają dysocjacji, czyli rozpadowi na jony: kation wodoru H+ (kationy wodoru) i anion reszty kwasowej Rn- (aniony reszty kwasowej, n - to ilość atomów wodoru).

Podział kwasów z uwzględnieniem liczby atomów wodoru:

  • jednoprotonowe, np. HCl
  • wieloprotonowe, np. H3PO4

pH roztworu

Własność tą wyraża się przy pomocy skali pH, która jest ściśle związana z występowaniem kationów wodorowych. Jeśli H+ przeważają nad innymi jonami, mówimy wówczas o środowisku kwaśnym, gdy występują jony wodorotlenowe OH- o zasadowym, a jeżeli ich liczba jest taka sama - o odczynie obojętnym.

pH określa się biorąc pod uwagę iloczyn jonowy wody:

[H+]*[OH-] = 10-14 mol/dm3

[H+] = [OH-] = 10-7 mol/dm3

Zatem czysta woda (destylowana, a nie taka z kranu!) ma obojętny odczyn.

pH - ujemny logarytm określający stężenie kationów wodorowych (wykładnik potęgi stężenia karionów wodorowych ze znakiem przeciwnym).

Stężenie [M]

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

10-6

10-7

10-8

10-9

10-10

10-11

10-12

10-13

10-14

pH

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

odczyn

kwaśny

obojętny

zasadowy (alkaliczny)

W przypadku roztworu 1-molowego kwasu chlorowodorowego pH przyjmuje wartość 0, a dla 1-molowego roztworu zasady sodowej pH = 14.

Podsumowując, jeśli wartość pH jest mniejsza niż 7 to roztwór ma odczyn kwaśny, a większe - alkaliczny, w pH = 7 obojętny.

Dla Coca Coli pH wynosi 2, woda z kiszonych ogórków - 1. Skóra niemowlęcia (sucha) ma odczyn lekko kwaśny (6,5).

Pomiar pH

Najpowszechniejszymi sposobami pomiaru wartości pH można dokonać przy użyciu pehametru albo wskaźników kwasowo - zasadowych.

Wskaźniki

Wskaźniki (indykatory) są słabymi kwasami lub zasadami o barwnych jonach w określonym zakresie pH,

a kolor zależy od odczynu.

Do określenia wartości pH używa się najczęściej następujących wskaźników:

  • lakmus
  • papierek uniwersalny
  • fenoloftaleina
  • oranż metylowy
  • czerwień metylowa
  • zieleń krezolowa
  • błękit bromotymolowy

Najwygodniejszym sposobem określenia odczynu jakiegoś roztworu jest zastosowanie papierka uniwersalnego (zawiera kilka wskaźników), ponieważ pozwala wyznaczyć pH w rozległym zakresie. Taki rodzaj pomiaru jest orientacyjny.

Stopień dysocjacji

Jego wartość jest miarą mocy kwasu.

Kwasy można podzielić z racji ich mocy na:

  • mocne:

kwas siarkowy H 2SO4,

kwas azotowy HNO3,

kwas solny HCl

  • słabe:

kwasy organiczne: kwas octowy CH3COOH, kwas mrówkowy HCOOH

kwas węglowy H2CO3

Występowanie

Kwasy i ich sole są powszechne w przyrodzie. W skorupie ziemskiej występują glinokrzemiany i krzemiany.

Zastosowanie

  • w przemyśle
  • w technice
  • w rolnictwie
  • w medycynie

Otrzymywanie

  • kwasy beztlenowe: w reakcji wodoru z niemetalem (odpowiednim), a następnie rozpuszczenie w wodzie
  • kwasy tlenowe: poprzez reakcję tlenku niemetalu (tlenku kwasowego) z wodą

Charakterystyka poszczególnych kwasów

kwas siarkowy(IV) H2SO3

Własności fizyczne

  • bezbarwna ciecz
  • dusząca woń

Właściwości chemiczne

  • trwały jedynie w rozcieńczonym roztworze
  • kwas o mocy średniej
  • posiada właściwości redukujące
  • tworzy sole (siarczany(IV))

Otrzymywanie

Przez rozpuszczenie SO2 w wodzie:

SO2 + H2O = H2SO3

Zastosowanie

  • w wytwarzaniu papieru
  • w olejów, parafiny
  • w tkanin
  • w syntezie organicznej
  • jako środek dezynfekujący i konserwujący

kwas siarkowy(VI) H2SO4

Własności fizyczne

  • bezwonna, bezbarwna, ciecz oleista
  • silnie higroskopijny
  • temperatura krzepnięcia 10,4°C
  • gęstość 1,838 g/cm3
  • rozpuszcza się w wodzie bez ograniczeń, a procesowi temu towarzyszą efekty cieplne
  • tworzy z wodą azeotrop (wodny roztwór zawierający 98,3% kwasu siarkowego), który wrze
  • w temperaturze 336,5°C
  • jest żrący dla skóry

Właściwości chemiczne

  • mocny kwas
  • ma silne właściwości utleniające
  • tworzy sole obojętne i wodorosole
  • działając np. na biało powoduje jego zwęglanie

Otrzymywanie

Produkcja kwasu siarkowego (VI) polega na otrzymaniu dwutlenku siarki (SO2) z utleniania pirytu, a następnie jego dalszego utlenienia do trójtlenku siarki SO3. Po rozpuszczeniu w wodzie powstaje kwas. W przemyśle używa się metody kontaktowej. Katalityczne utlenianie SO2 do SO3 następuje w podwyższonej temperaturze (500°C) z użyciem tlenu z powietrza. Otrzymany tlenek jest absorbowany przez kwas siarkowy (VI) i tworzy się kwas lub oleum (dymiący kwas siarkowy z SO3). Inna metoda komorowa, w zasadzie w dzisiejszych czasach nie stosowana, wykorzystuje do utleniania SO2 tlenki azotu (jako przenośniki tlenu). W metodzie tej utworzony kwas jest mniej stężony (60%), w wieżowej metodzie bardziej (75%).

Zastosowanie

  • do produkcji nawozów mineralnych
  • w przemyśle barwników
  • w przemyśle materiałów wybuchowych
  • do osuszania gazów
  • w syntezie organicznej do sulfonowania oraz podczas nitrowania
  • do rafinacji olejów, nafty, tłuszczów
  • do wytrawienia żelaza oraz oczyszczania powierzchni metali
  • do produkcji kwasu solnego
  • w produkcji akumulatorów
  • jako chemiczny odczynnik
  • w garbarstwie
  • w branży spożywczej
  • w przemyśle włókienniczym
  • w przemyśle papierniczym

kwas fosforowy H3PO4

Własności fizyczne

Ma postać cieczy o gęstości syropu.

Właściwości chemiczne

  • kwas o mocy średniej
  • po ogrzaniu kondensuje z utworzeniem ortopolikwasów fosforowych
  • tworzy sole
  • tworzy estry

kwas azotowy(V) HNO3

Własności fizyczne

  • bezbarwna ciecz
  • dymi na powietrzu
  • temperatura wrzenia 86°C
  • gęstość 1,50 g/cm3
  • tworzy 68-procentowy azeotrop z wodą o temperaturze wrzenia 121,8°C
  • ma działanie żrące w stosunku do skórę, powoduje gojące się trudno oparzenia

Właściwości chemiczne

  • ulega rozkładowi wyniku wystawienia na światło na tlenek azot (IV), stąd jego żółte zabarwienie
  • posiada silne właściwości kwasowe i utleniające
  • roztwarza większość metali (oprócz platyny, złota, irydu, rodu i tantalu)
  • powoduje pasywacje niektórych metali, np. żelaza, glinu
  • działa nitrujaco lub utleniająco w stosunku do substancji organicznych

Otrzymywanie

W przemyśle pospolicie używa się metody kontaktowej. Istotą tego sposobu jest utlenianie amoniaku tlenem

z powietrza atmosferycznego z zastosowaniem katalizatora - siatek platynowych:

4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O

Tlenek azotu (II) ulega samorzutnemu utlenieniu do dwutlenku azotu (NO2), a następnie rozpuszczony

w wodzie destylowanej tworzy kwas. Inną metodą, obecnie nie używaną polega na otrzymywaniu kwasu poprzez przepuszczanie azotu i tlenu poprzez łuk elektryczny.

Zastosowanie

Używany jest powszechnie jako utleniacz.

kwas azotowy(III) HNO2

Właściwości chemiczne

  • jest słaby i nietrwały, dlatego istnieje wyłącznie w roztworach wodnych rozcieńczonych
  • ulega reakcji dysproporcjonowania:

3HNO2 = HNO 3 + 2NO + H2O

  • wykazuje słabe właściwości utleniające jaki i redukujące
  • tworzy sole - azotany(III) i sole diazoniowe
  • tworzy estry oraz związki nitrowe

Zastosowanie

Jego pochodna azotan(III) pentylu stosowana jest w lecznictwie.

kwas węglowy H2CO3

Właściwości chemiczne

  • jest słabym kwasem
  • łatwo ulega rozkładowi:
  • H2CO3 = CO2 + H2O
  • tworzy sole obojętne i wodorosole

Otrzymywanie

Otrzymuje się go rozpuszczając CO2 w wodzie:

CO2 + H2O = H2CO3

kwas chlorowodorowy HCl (kwas solny)

Własności fizyczne

  • bezbarwna ciecz
  • dusząca woń
  • dymiący na powietrzu
  • tworzy azeotrop przy stężeniu 20,24%, który wrze w temperaturze. 110°C

Właściwości chemiczne

  • bardzo mocny kwas
  • reaktywny chemicznie
  • roztwarza większość metali
  • tworzy sole - chlorki

Otrzymywanie

Produkuje się go wykorzystując urządzenia kamionkowych (turyle) lub tantalowe do absorpcji chlorowodoru

w wodzie.

Zastosowanie

  • w branży chemicznej,
  • w przemyśle włókienniczym,
  • w branży spożywczej,
  • przy produkcji tworzyw sztucznych,
  • w metalurgii,
  • w analizie oraz syntezie chemicznej,
  • jako rozpuszczalnik sam i w wodzie królewskiej
  • uczestniczy w trawieniu - żołądkowy HCl

siarkowodór H2S

Własności fizyczne

  • bezbarwny gaz
  • zapach zgniłych jaj
  • dobrze rozpuszcza się w wodzie
  • temperatura wrzenia -60,3oC
  • działanie toksyczne

Właściwości chemiczne

  • gdy rozpuści się go w wodzie w małych stężeniach powstaje wodę siarkowodorową,
  • a w dużych - kwas siarkowodorowy
  • tworzy wielosiarkowodory (H2Sx, x = 2 - 8)
  • posiada właściwości redukujące

Występowanie

Powstaje wskutek gnicia białek, jest obecny w wyziewach wulkanicznych i wodach mineralnych.

Otrzymywanie

Można wytworzyć go w reakcji kwasów lub wody na siarczki.

Zastosowanie

  • do wytwarzania kwasu siarkowego
  • jako chemiczny odczynnik

Podstawowe teorie kwasów i zasad

W celu wytłumaczenia sobie własności kwasów bądź zasad stworzono liczne teorie.

W 1778r. H. Lavoisier stwierdził, iż kwasowe właściwości wynikają z posiadanego atomu tlenu (tlenową teorię kwasów), a kilkanaście lat później, w 1833r., J. Liebig stwierdził, że taki charakter wywołują atomy wodoru. Kolejni teoretycy bazowali na ostatnim przypuszczeniu: H.B. Davy'ego w1814r. uważał, że kwasy charakteryzuje atom wodoru, mogący zostać wymieniony na atomy metali, tą teorie dalej rozwinęli Thomas Graham (1833r.) i Liebig (1838r.) wspominając o kilku atomach wodoru.

Definicja kwasów i zasad według S. Arrheniusa (1887r.) brzmi następująco: kwasy to substancje, które wskutek dysocjacji elektrolitycznej rozpadają się na jony wodoru H+, natomiast zasady odczepiają anion wodorotlenkowy OH-. Nosi ona nazwę teorii jonowej.

Kolejna, rozpuszczalnikowa teoria stworzona przez E.K. Franklina w1914r., jeszcze bardziej uogólnia pojęcia obu związków. Kwas to związek odczepiający kation w roztworze wodnym, zasada, natomiast, odczepia anion.

Do dzisiejszego dnia teoria bardzo często używana są postulaty J.N. Brönsted i T.M. Lowry z 1923r. Według tych badaczy kwasy to związki będące donorami protonów, a zasady - stanowią akceptory protonów. Reakcja tych dwóch związków prowadzi do powstania innego kwasu i innej zasady. Niektóre substancje maja charakter amfoteryczny, nb. woda.

Teorie oparta na wolnych parach elektronowych stworzył w 1926r. Lewis. Według niego kwasy są akceptorami wolnych par elektronowych, które są dostarczane od zasad (jako donorów tych par).

Ciekawym podejściem do zagadnienia jest postulat R.G. Pearsona z 1963r., mówiący, że kwasy mogą być twarde o małej wartości polaryzowalności, np. H+, CO2 , Mg 2+ i miękkie, o dużej wartości polaryzowalności, np. CH3Mg+, Ag +, I2. Podobna zależność występuje wśród zasad: twarde, wykazujące małą polaryzowalność, np. OH -, F-, NH3,

a miękkie charakteryzujące się dużą polaryzowalnością to np. . S2-, CN -, CO. Ten naukowiec posunął się o krok dalej przewidując reaktywność, a mianowicie miękkie kwasy reagują tylko z miękkimi zasadami, a twarde

z twardymi.