Kwasy
Termin 'kwas' jest stosowany w chemii do charakteryzowania właściwości chemicznych oraz do celów nomenklaturowych. W tym pierwszym znaczeniu kwasem jest każda substancja, która wprowadzona do wody powoduje wzrost stężenia jonów wodorowych. Nazwa substancji zawiera słowo "kwas" w dwóch przypadkach:
1. Związki z elementem strukturalnym E - O - H zdolne do dysocjacji jonowej typu
E - O - H = E - O(minus) + H(plus)
są nazywane kwasami tlenowymi. Ich wzory chemiczne zapisuje się z wodorem na pierwszym miejscu: HEO, H2EO2 itp., co można uogólnić w postaci HnR, gdzie R - to tak zwana reszta kwasowa, czyli fragment cząsteczki, który po dysocjacji jonowej stanowi anion.
2. Wodne roztwory wodorków kwasowych (czyli wodorków fluorowców i siarkowców) są tradycyjnie nazwane kwasami beztlenowymi, a ich wzory chemiczne uzupełnia się, o symbole aq, np.:
H2S aq - kwas siarkowodorowy.
Ze względu na zawartość w cząsteczce kwasów atomów wodoru zdolnych do odszczepiania w postaci protonu kwasy dzielimy na:
- jednoproteinowe, np. HNO3;
- dwuproteinowe, np. H2SO4;
- trójproteinowe, np. H3PO4.
Kwasy są elektrolitami o zróżnicowanej mocy.
Moc kwasów tlenowych:
- rośnie ze wzrostem elektroujemności centralnego atomu reszty kwasowej, zarówno w okresach tablicy periodycznej, jak i w grupach;
- rośnie (poza nielicznymi wyjątkami) ze wzrostem liczby atomów tlenu;
Moc kwasów beztlenowych:
- rośnie w obrębie okresu ze wzrostem elektroujemności;
- maleje w obrębie grupy ze wzrostem elektroujemności;
W cząsteczkach kwasów tlenowych atom centralny łączy się z atomami tlenu wiązaniami kowalencyjnymi lub koordynacyjnymi.
Według starych zasad nazwy kwasów tlenowych tworzy się od nazw pierwiastka tworzącego atom centralny w anionie dodając końcówkę -awy, gdy atom ten ma wartościowość niższą oraz końcówkę -owy, gdy atom ten ma wartość wyższą. Jeżeli ten sam pierwiastek tworzy cztery kwasy, wówczas nazwa kwasu zawiera również przedrostki: pod-, gdy chodzi o najniższą wartościowość atomu centralnego, i nad-, gdy chodzi o jego najwyższą wartościowość.
Nowe zasady nazewnictwa kwasów są prostsze: wszystkie nazwy kwasów mają końcówkę -owy, a w nawiasie podaje się wartościowość atomu centralnego lub się ją omija, gdy chodzi o bardzo znany kwas.
H2SO3 - kwas siarkowy(IV); nazewnictwo stare - kwas siarkawy
HCLO - kwas chlorowy(I); nazewnictwo stare - kwas podchlorawy
Kwasy beztlenowe otrzymuje się przez rozpuszczenie w wodzie wodorotlenków, natomiast kwasy tlenowe powstają w wyniku reakcji chemicznej tlenków kwasowych z wodą. Jeżeli tlenek kwasowy nie reaguje z wodą, jak np. SiO2, to kwas otrzymuje się z jego rozpuszczalnej soli przez działanie na nią innym, mocniejszym kwasem.
Do najważniejszych właściwości chemicznych kwasów nalezy ich zdolność do reagowania z:
- wodorotlenkami,
- tlenkami zasadowymi i amfoterycznymi,
- metalami.
Reakcja kwasów z wodorotlenkami polega na reakcji łączenia się kationów wodorowych z anionami wodorotlenkowymi w cząsteczkę wody. Towarzyszy temu powstawanie soli, która pozostaje w roztworze w postaci zdysocjowanej, albo wytrąca się w postaci osadu w zależności od tego, czy jest dobrze, czy też trudno rozpuszczalna.
Tlenowe kwasy siarki:
Spośród kilkunastu znanych kwasów siarki dwa są najważniejsze:
- Kwas siarkowy(VI) H2SO4, zwany po prostu siarkowym, a w postaci handlowej to bezbarwna, oleista, higroskopijna ciecz stanowiąca ok. 98% roztwór wodny wywołujący oparzenia skóry i zwęglający związki organiczne. Przy rozcieńczaniu tego roztworu następuje znaczna, trwała kontrakcja objętości i gwałtowny, ale przejściowy, wzrost temperatury. Kwas siarkowy (VI) jest mocnym elektrolitem. Roztwarza metale półszlachetne z wydzieleniem SO2, oraz metale nieszlachetne z wydzieleniem H2. Kwas siarkowy (VI) powstaje w reakcji SO3 z wodą. Szeroki zakres zastosowań laboratoryjnych i przemysłowych wynika z tego, że jest najtańszym kwasem.
- Kwas siarkowy (IV) H2SO3, zwany tradycyjnie siarkawym, może istnieć tylko w postaci rozcieńczonych, kilkuprocentowych roztworów wodnych, w których wytwarza się stan rónowagi chemicznej.
Roztwór jest bezbarwny, o duszącej woni utleniającego się SO2. Kwas siarkowy (IV) jest słabym elektrolitem dysocjującym dwuetapowo. W wielu rejonach geograficznych jest głównym składnikiem kwaśnych deszczy.
Zastosowanie laboratoryjne i przemysłowe wynika z redukujących właściwości SO2 obecnego w roztworze tego kwasu.
Tlenowe kwasy azotu:
Spośród kilkunastu znanych kwasów siarki dwa są najważniejsze:
- Kwas azotowy(V) HNO3, zwany po prostu azotowym, w postaci handlowej jest to dymiąca (w wilgotnym powietrzu) ciecz (bezbarwna, jeśli nie jest zanieczyszczona), stanowiąca około 60/70% roztwór wodny, wywołujący trudno gojące się oparzenia skóry. Jest mocnym elektrolitem, ma silne właściwości utleniające. Roztwarza większość metali w tym - po zmieszaniu z kwasem solnym - również metale szlachetne.
Do nielicznych wyjatków należy glin (Al). Kwas azotowy można otrzymac z jego tlenku N2O5 lub z tlenku NO2.
- Kwas azotowy(III) HNO2, zwany tradycyjnie azotawym, występuje tylko w postaci rozcieńczonych roztworów wodnych, uzyskiwanych w reakcji N2O3 z wodą.
Tlenowe kwasy fosforu:
Spośród kilkunastu znanych kwasów fosforu na uwagę zasługuje kwas ortofosforowy(V) H3PO4, zwany po prostu fosforowym. Jest to ciało stałe, białe, doskonale rozpuszczalne w wodzie. W handlu i laboratoriach stosuje się roztwory. Kwas fosforowy jest elektrolitem średniej mocy, dysocjuje trójetapowo. Powstaje w reakcji P2O5 z wodą. Znajduje zastosowanie w produkcji nawozów sztucznych z grupy fosforanów.
Sole
Sole są związkami chemicznymi o ogólnym wzorze chemicznym MnRm, gdzie M oznacza metal, a R resztę kwasową. Nazwy soli sa dwuwyrazowe. Pierwszy określa resztę kwasową i tworzy się go od nazwy kwasu, który zawiera tę resztę,
np. azotowy(V) - azotan(V).
Drugi wyraz użyty w dopełniaczu oznacza metal i w razie potrzeby dodaje się w nawiasie jego wartościowość.
Sole kwasów beztlenowych mają końcówkę -ek (chlorek, siarczek). Sole kwasów tlenowych według tradycyjnych zasad nazewnictwa mają dwa rodzaje końcówek: -yn, jeśli pochodzą od kwasów, które mają w nazwie końcówkę -awy, np. siarkawy - siarczyn; -an, jeśli pochodzą od kwasów, które mają w nazwie końcówkę -owy, np. siarkowy - siarczan. Według nowych zasad nazewnictwa wszystkie sole tlenowe mają końcówkę -an, a w nawiasie podaje sie wartościowość atomu centralnego reszty kwasowej.
Wzory soli ustala się metodą "krzyżową" dla związków dwuskładnikowych, przy czym całą resztę kwasową uznaje się za drugi składnik. Jej wartościowość jest równa liczbie atomów wodoru występujących we wzorze kwasu, od którego ta reszta pochodzi.
Sole są związkami stałymi, mają budowę krystaliczną. W węzłach ich sieci znajdują się kationy metali i aniony reszty kwasowej. Jak wszystkie związki jonowe w stanie stopionym przewodzą prąd elektryczny. Sole są mocnymi elektrolitami. Oznacza to, że roztwór soli zawiera wyłącznie jony. Sole są często substancjami bezbarwnymi. Wiele z nich jednak ma barwę odpowiadającą barwie kationu metalu, a więc:
- sole miedzi zawierające uwodniony kation Cu2+ są niebieskie,
- sole manganu zawierające kation Mn2+ są różowe,
- sole chromu zawierające kation Cr3+ są zielone lub fioletowe,
- sole zelaza zawierające kation Fe3+ są żółtobrunatne.
Sole mają różną rozpuszczalność w wodzie. Rozpuszczalnośc ta na ogół wzrasta ze wzrostem temperatury. Przykładem soli o rozpuszczalności słabo zależnej od temperatury jest NaCl.
Sposoby otrzymywania soli:
1. zasada + kwas = sól + woda
2. tlenek zasadowy + kwas = sól + woda
3. metal "nieszlachetny" + kwas = sól + wodór
4. zasada + tlenek kwasowy = sól + woda
5. tlenek zasadowy + tlenek kwasowy = sól
6. metal + niemetal = sól
Obok soli typu MnRm istnieją też takie, które oprócz kationów metalu i anionów reszty kwasowej zawierają jony wodorowe - tzw. wodorosole Mn(HkR)m, lub jony wodorotlenkowe, tzw. hydrosole [M(OH)k]nRm
Wodorosole powstają z kwasów przez niecałkowite zastąpienie kationów wodorowych kationami metalu.
A oto przykłady niektórych wodorosoli:
NH4HCO3 - wodorowęglan amonu
Ca(HCO3)2 - wodorowęglan wapnia
Hydrosole powstają z wodorotlenków przez niecałkowite zastąpienie anionów wodorotlenkowych anionami reszty kwasowej.
Przykładem takiej soli jest [Cu(OH)2]CO3 - węglan hydroksomiedzi(II), który tworzy się na powierzchni miedzi po dłuższym jej zetknięciu z powietrzem.
Dla odróżnienia od wodorosoli i hydrosoli pozostałe sole nazywa się obojętnymi.
Sole obojętne nie zawsze mają odczyn obojętny.
Wiele soli w stanie stałym ma wbudowane w sieć krystaliczną cząsteczki wody. Są to tzw. sole uwodnione (hydraty), a wodę ę nazywa się wodą hydratacyjną.
Wodorotlenki i Zasady
Wodorotlenkami nazywa się wszystkie związki nieorganiczne, w których wzorze wyróżnia się symbol metalu oraz jednowartościowe grupy - OH zwane grupami wodorotlenowymi. Liczba grup OH we wzorze wodorotlenku zależy od wartościowości metalu. Jeżeli metal tworzy dwa różne wodorotlenki, to ich nazwa tworzy się analogicznie, jak nazwy tlenków, np.
Fe(OH)2 - wodorotlenek żelaza (II)
Fe(OH)3 - wodorotlenek żelaza (III).
Gdy metal tworzy jeden wodorotlenek, wówczas wskaźnik wartościowości można w nazwie pominąć, np.
Ba(OH)2 - wodorotlenek baru.
Wodorotlenki można podzielić na dwie grupy:
- wodorotlenki zasadowe - czyli reagujące z kwasami a nie reagujące z zasadami;
- wodorotlenki amfoteryczne - czyli reagujące z kwasami i z zasadami.
Wodorotlenki są substancjami bezbarwnymi, krystalicznymi. Wodorotlenki litowców są silnie higroskopijne, chłoną parę wodną z powietrza i w utworzonej tak wodzie rozpuszczają się. Wodorotlenki berylowców są dużo trudniej rozpuszczalne, przy czym ich rozpuszczalność wzrasta ze wzrostem liczby atomowej berylowca.
Rozpuszczanie się wodorotlenków polega na rozpadzie sieci krystalicznej, powstają przy tym uwodnione jony metalu i aniony wodorotlenkowe:
NaOH = Na+ + OH-
Świadczy o tym zasadowy odczyn roztworu.
Wodorotlenki, których wodne roztwory mają odczyn zasadowy, nazywa się wodorotlenkami zasadowymi lub zasadami.
Do zasad zalicza się nie tylko wodorotlenki zasadowe lecz także amoniak i aminy, a więc wszystkie związki, które zwiększają stężenie jonów wodorotlenkowych w wodzie.
Istnieje jednak spora liczba wodorotlenków, głównie metali leżących w środkowych grupach układu okresowego, które nie mają budowy krystalicznej, tworzą trudno rozpuszczalne żele i nie wykazują odczynu zasadowego. Wodorotlenki te zalicza się do wodorotlenków amfoterycznych. Wodorotlenki zasadowe i amfoteryczne łączy wspólna cecha: zdolność do reagowania z kwasami.