Budowa i właściwosci kwasów nieorganicznych

Co to są w ogóle kwasy?

KWASY - są to związki chemiczne odznaczające się charakterystycznymi właściwościami, m.in. kwaśnym smakiem, zdolnością wywoływania reakcji barwnych ze wskaźnikami (np. barwią lakmus na czerwono), roztwarzaniem wielu substancji; właściwości te kwasy tracą w wyniku reakcji z zasadami. Wraz z rozwojem chemii starano się ustalić zależność charakterystycznych cech kwasów od budowy ich cząsteczek i formułowano coraz ogólniejsze definicje kwasów (kwasów i zasad teorie). W wypadku roztworów wodnych najczęściej wystarcza stosowanie klasyfikacji definicji kwasu (na podstawie teorii jonowej), wg której cząsteczka kwasu w wyniku dysocjacji elektrolitycznej tworzy tylko kation wodorowy H+ i jako anion tzw. resztę kwasową; kwasowość ; roztworu często jest wyrażana stężeniem jonów wodorowych cH+ lub tzw. pH roztworu. Moc kwasu określa wartość liczbowa stałej dysocjacji elektrolitycznej. Do kwasów mocnych (silnych) należą pospolite kwasy nieorganiczne (zw. miner.): siarkowy H 2SO4, azotowy HNO3, solny HCl; kwasami słabymi jest większość org. kwasów karboksylowych (np. octowy CH3COOH, mrówkowy HCOOH) oraz spośród kwasów mineralnych, np. węglowy H2CO3. Kwasy zawierające w cząsteczce kilka atomów wodoru, które mogą ulec wymianie na atomy metalu, noszą nazwę wieloprotonowych (wielozasadowych), np. H3PO4 jest kwasem trójprotonowym.

NIEORGANICZNE ZWIĄZKI (kwasy) - są to związki wszystkich znanych pierwiastków chemicznych, z wyjątkiem związków węgla z wodorem (węglowodorów) oraz ich pochodnych (organiczne związki).

Związki nieorganiczne charakteryzuje ogromna różnorodność właściwości, wynikająca z różnic w składzie i strukturze tych związków oraz w charakterze sił działających między atomami (wiązanie chemiczne). Proste związki nieorganiczne, w których skład wchodzą najczęściej tylko 2 pierwiastki, można - ze względu na rodzaj występującego w nich wiązania chemicznego - podzielić na:

1) związki jonowe, w których atomy występują w postaci jonów dodatnich i ujemnych, przyciągających się nawzajem dzięki działaniu sił elektrostatycznych; w związkach jonowych, zarówno w stanie stałym, jak i ciekłym nie można wyróżnić oddzielnych cząsteczek; mają one wysokie temp. topnienia i wrzenia; w stanie stopionym oraz w roztworach wodnych, dzięki obecności jonów, dobrze przewodzą prąd elektryczny; typowymi przykładami związków jonowych są fluorek cezu CsF i chlorek sodu NaCl; warunkiem utworzenia się związku jonowego jest duża różnica elektroujemności pierwiastków wchodzących w jego skład;

2) związki kowalencyjne, w których między atomami występują wiązania atom.; istnieją w nich najczęściej oddzielne cząsteczki, zachowujące swą odrębność we wszystkich 3 stanach skupienia; związki takie (np. woda H2O, amoniak NH3) mają niskie temp. topnienia i wrzenia; atomy w związkach kowalencyjnych mogą się ze sobą łączyć, także bez wytwarzania oddzielnych cząsteczek o określonej liczbie atomów, i tworzyć łańcuchy (np. siarczek krzemu SiS2), warstwy (np. azotek boru BN) lub struktury przestrzenne (np. węglik krzemu SiC), złożone z dowolnie dużej liczby atomów; związki takie mają zwykle wysoką temp. topnienia i małą lotność; warunkiem utworzenia się związku kowalencyjnego jest mała różnica elektroujemności pierwiastków wchodzących w jego skład; 3) związki międzymetaliczne. Odrębną grupę związków nieorganicznych stanowią związki koordynacyjne, np. heksacyjanożelazian(II) potasu K4[Fe(CN)6]. Najbardziej skomplikowaną strukturę mają wielkocząsteczkowe związki nieorganiczne (polimery nieorg.), jak np. polifosforany, polikrzemiany.

Związki nieorganiczne reprezentują różne typy połączeń (np. tlenki, kwasy, zasady, sole). Badaniem właściwości, składu, struktury, metod otrzymywania i oczyszczania związków nieorganicznych zajmuje się chemia nieorganiczna, wytwarzaniem związków nieorganicznych na skalę techn. - technologia chemiczna. Związki nieorganiczne są b. rozpowszechnione w przyrodzie (skorupa ziemska jest zbudowana gł. z glinokrzemianów i krzemianów); zarówno wiele naturalnych, jak i otrzymywanych syntetycznie związków nieorganicznych znajduje szerokie zastosowanie, m.in. w przemyśle, technice, rolnictwie, medycynie.

KWASY NIEORGANICZNE DZIELIMY NA
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 siarkowodorowy H2S
- kwas chlorowodorowy HCl
- kwas bromowodorowy HBr
- kwas jodowodorowy HI

Kwasy beztlenowe - otrzymuje się m.in. w procesie rozpuszczania w wodzie związku chemicznego, który otrzymuje się w wyniku syntezy wodoru z odpowiednim niemetalem.

Kwasy tlenowe - można otrzymać w wyniku reakcji chemicznej odpowiedniego tlenku niemetalu z wodą.

Kwas siarkowy(IV) H2SO3 - jest to kwas tlenowy siarki; stanowi roztwór dwutlenku siarki SO2 w wodzie (SO2 + H2O H2SO3); istnieje tylko w roztworze rozcieńczonym - bezbarwna ciecz o duszącej woni; jest kwasem o średniej mocy; ma właściwości redukujące; tworzy sole (siarczyny), a z wieloma związkami org. - połączenia addycyjne; stosowany m.in. w produkcji papieru, olejów, parafiny, tkanin, w syntezie org. oraz jako środek konserwujący i dezynfekujący.

Kwas siarkowy(VI) H2SO4 - jest to kwas tlenowy siarki; bezbarwna., bezwonna, oleista ciecz, silnie higroskopijna; temp. krzepnięcia 10,4C, gęstość 1,838 g/cm 3, miesza się z wodą w każdym stosunku; roztwór wodny zawierający 98,3% kwasu siarkowego (tzw. kwas siarkowy stężony) stanowi azeotrop wrzący w temp. 336,5C; kwas siarkowy jest mocnym kwasem dwuzasadowym, tworzącym obojętne i kwaśne siarczany; stężony kwas siarkowy jest silnym utleniaczem, zwęgla substancje org., działa żrąco na skórę, miesza się z wodą z wydzieleniem znacznej ilości ciepła. Otrzymywanie kwasu siarkowego na skalę techn. polega na wytworzeniu dwutlenku siarki SO2 (gł. przez utlenianie siarki, prażenie pirytu z dostępem powietrza albo prażenie mieszaniny anhydrytu z koksem i gliną) i utlenieniu go do trójtlenku siarki SO3, który z wodą tworzy kwas siarkowy. Powszechnie stosuje się metodę kontaktową, polegającą na utlenianiu SO2 do SO3 tlenem z powietrza w temp. 500C, w obecności kontaktów (katalizatorów stałych), gł. pięciotlenku wanadu V2O5; uzyskany SO 3 jest pochłaniany w roztworze kwasu siarkowego, w wyniku czego otrzymuje się stężony kwas siarkowy (98-procentowy) lub tzw. dymiący kwas siarkowy, czyli oleum. Metoda komorowa (i jej modyfikacja zw. metodą wieżową ), obecnie rzadko stosowana, polega na utlenianiu SO2 do SO 3 tlenem z powietrza, z zastosowaniem obiegu kołowego tlenków azotu (jako przenośników tlenu), które wprowadza się w postaci tzw. nitrozy; powstający SO3 tworzy z doprowadzaną wodą kwas siarkowy około 60-procentowy (w metodzie komorowej) lub ok. 75-procentowy (w metodzie wieżowej). Kwas siarkowy jest b. ważnym produktem przemysłu chemicznego; stosuje się go m.in. do wyrobu nawozów miner., barwników, materiałów wybuchowych, do suszenia gazów, do sulfonowania i podczas nitrowania związków org., do rafinacji nafty, olejów, tłuszczów, do trawienia żelaza i oczyszczania powierzchni innych metali, w produkcji kwasu solnego, w postaci roztworu wodnego w akumulatorach, jako odczynnik chemiczny, w garbarstwie oraz w przemyśle spożywczym, włókienniczym, papierniczym.

Kwas fosforowy H3PO4 - jest to związek nieorganiczny, kryształy; roztwór 85?90-proc. (postać handlowa) jest syropowatą cieczą; kwas średniej mocy; podczas ogrzewania ulega kondensacji do ortopolikwasów fosforowych; sole i estry - fosforany.

Kwas azotowy(V) HNO3 - jest to bezbarwna, dymiąca w powietrzu ciecz; wrze w temp. 86C (z częściowym rozkładem na tlenek azotu i wodę); gęstość 1,50 g/cm3, żółte zabarwienie kwasu azotowego pochodzi od dwutlenku azotu NO2, powstającego w wyniku rozkładu kwasu, np. pod wpływem światła; doskonale miesza się z wodą, z którą tworzy 68-procentowy azeotrop (tzw. kwas azotowy stężony) o temp. wrz. 121,8C; jest mocnym kwasem, b. silnie utleniającym; roztwarza prawie wszystkie metale (z wyjątkiem złota, platyny, rodu, irydu i tantalu); niektóre metale (np. żelazo, glin) w stężonym kwasie azotowym ulegają pasywacji; kwas azotowy działa na skórę silnie żrąco, wywołując bolesne, trudno gojące się rany; na substancje org. działa utleniająco (słoma, drewno mogą nawet ulec zapaleniu) lub nitrująco. Na skalę techn. otrzymywany ob. gł. metodą kontaktową, polegającą na katalitycznym utlenianiu amoniaku tlenem z powietrza (4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O), przy użyciu jako katalizatora rozżarzonych siatek platynowych; otrzymany tlenek azotu NO utlenia się samorzutnie do dwutlenku NO2, który łącząc się z wodą tworzy, w obecności nadmiaru powietrza, kwas azotowy; dawniej otrzymywany metodą łukową, polegającą na wiązaniu azotu z tlenem w wyniku przepuszczania powietrza przez łuk elektryczny. Kwas azotowy jest stosowany jako utleniacz; związkami o dużym znaczeniu są jego sole i estry (azotany).

Kwas azotowy(III) HNO2 - jest to słaby, nietrwały kwas istniejący tylko w rozcieńczonych roztworach wodnych; ulega dysproporcjonowaniu
(3HNO2HNO 3 + 2NO + H2O), działając zarówno jako utleniacz, jak i reduktor; trwalsze są jego pochodne, azotyny, stosowane m.in. do diazowania (sole) i w lecznictwie (azotyn pentylu); tworzy 2 szeregi związków org.: estry R?ONO i związki nitrowe R?NO2.

Kwas węglowy H2CO3 - jest to związek nieorganiczny, słaby, dwuzasadowy kwas; tworzy się w niewielkiej ilości podczas rozpuszczania dwutlenku węgla w wodzie w wyniku reakcji: CO2 + H2O H2CO3; w czasie zagęszczania roztworu ulega rozkładowi - nie można otrzymać go w stanie wolnym; tworzy 2 szeregi pochodnych: węglany obojętne i wodorowęglany (węglany).

Kwas chlorowodorowy HCl (kwas solny) - jest to roztwór wodny chlorowodoru; bezbarwna ciecz o duszącej woni, dymiąca w powietrzu, o gęstości zależnej od stężenia; żółta barwa technicznego kwasu solnego pochodzi od zanieczyszczeń, gł. związków żelaza; roztwór zawierający 20,24% chlorowodoru stanowi azeotrop o temp. wrz. 110C; kwas solny jest jednym z najmocniejszych kwasów nieorganicznych; bardzo aktywny chemicznie; roztwarza prawie wszystkie metale; tworzy chlorki; otrzymywany przez absorpcję chlorowodoru (wytwarzanego syntetycznie lub jako produkt uboczny chlorowania związków org.) w wodzie w specjalnych urządzeniach kamionkowych (zw. turyllami) lub tantalowych; stosowany w przemyśle chemicznym, włókienniczym, spożywczym, tworzyw sztucznych, w metalurgii, w analizie i syntezie chemicznej, jako rozpuszczalnik (również w postaci wody król.); znajduje się w soku żołądkowym (bierze udział w procesie trawienia).

Siarkowodór H2S - jest to bezbarwny gaz o zapachu zgniłych jaj, dobrze rozpuszczalny w wodzie, tworzy wodę siarkowodorową lub - w większych stężeniach - kwas siarkowodorowy, temperatura wrzenia -60,3?C. Siarkowodór jest reduktorem. Znane są wielosiarkowodory o wzorze H2Sx, gdzie x=2?8. Siarkowodór ma silne działanie toksyczne. Występuje w niektórych wodach mineralnych, wyziewach wulkanicznych, wśród produktów gnicia białek. Można go otrzymać działając kwasami (lub niekiedy wodą) na siarczki. Stosowany jest do produkcji kwasu siarkowego, w laboratorium jako odczynnik chemiczny.

OGÓLNY WZÓR KWASÓW
HnR
H - wodór
n - liczba atomów wodoru
R - reszta kwasowa

TEORIE KWASÓW I ZASAD

To teorie wyjaśniające budowę i właściwości substancji uważanych bądź za kwasy, bądź za zasady.
Najstarszą, tzw. tlenową teorię kwasów, oprac. H. Lavoisier (1778), który uznał, że właściwości kwasów wynikają z obecności tlenu w ich cząsteczkach. Według wodorowej teorii kwasów, sformułowanej przez H.B. Davy'ego (1814), przyjmowano wodór za zasadniczy składnik kwasów; uzupełnieniem tej teorii było stwierdzenie J. Liebiga (1833), że o charakterze kwasowym decyduje atom wodoru, który może być zastępowany atomem metalu, oraz podanie przez Th. Grahama (1833) i Liebiga (1838), że cząsteczka kwasu może zawierać kilka atomów wodoru, które mogą być wymieniane na atomy metalu. Na podstawie teorii dysocjacji elektrolitycznej S. Arrheniusa (1887) powstała jonowa (tzw. klasyczna) teoria kwasów i zasad; jako kwasy określono substancje, których cząsteczki w wyniku dysocjacji elektrolitycznej odszczepiają jon wodorowy H + (proton), a jako zasady - substancje ulegające dysocjacji elektrolitycznej z odszczepieniem jonu wodorotlenkowego OH?:
Rozpuszczalnikowa teoria kwasów i zasad, oprac. przez E.K. Franklina (1914), będąca uogólnieniem teorii jonowej w odniesieniu do roztworów niewodnych - określa, że kwasem jest substancja, która w roztworze odszczepia kation taki jak dysocjujący rozpuszczalnik, a zasadą - substancja odszczepiająca anion rozpuszczalnika. Protolityczną teorię kwasów i zasad opracowali (1923), niezależnie od siebie, J.N. Brnsted i T.M. Lowry; wg tej teorii kwasami są substancje, których cząsteczki lub jony są donorami protonów (oddają jon wodorowy), a zasadami są substancje będące akceptorami protonów (przyłączają jon wodorowy); w wyniku reakcji kwasu z zasadą powstaje inny kwas i inna zasada; woda ma charakter amfoteryczny - może być kwasem lub zasadą: =.Według elektronowej teorii (G.N. Lewis 1926), wiążącej właściwości kwasów i zasad z ich strukturą, kwasami są substancje, których cząsteczki lub jony mają niedobór elektronów i mogą z zasadami, czyli cząsteczkami lub jonami mającymi wolne pary elektronów, utworzyć wiązania koordynacyjne; kwasy są więc akceptorami elektronów, zasady - donorami elektronów, np.: Wzajemną reaktywność kwasów i zasad Lewisa objaśnia teoria twardych i miękkich kwasów oprac. 1963 przez R.G. Pearsona; akceptory elektronów odznaczające się małą polaryzowalnością (np. H+, Mg 2+, CO2) zalicza się do kwasów twardych, natomiast wykazujące dużą polaryzowalność (np. Ag +, CH3Mg+, I2) - do kwasów miękkich; donory elektronów o małej polaryzowalności (np. OH ?, F?, NH3) zalicza się do zasad twardych, o dużej polaryzowalności (np. S2?, CN ?, CO) - do zasad miękkich; kwasy twarde przede wszystkim reagują z zasadami twardymi, a kwasy miękkie z zasadami miękkimi; teoria twardych i miękkich kwasów i zasad wyjaśnia zachodzenie wielu org. i nieorg. reakcji.