Kwasy organiczne i nieorganiczne - opis i klasyfikacja kwasów

Większość kwasów ma kwaśny smak. Niektóre z nich są trujące, niektóre mogą wywołać poważne poparzenia skóry, inne natomiast są całkowicie nieszkodliwe. Są też takie, które można spożywać. Spożywamy kwas cytrynowy zawarty w cytrynach i pomarańczach. Natomiast nasz organizm wytwarza kwasy pomocne podczas trawienia. Pewne substancje zanurzone w kwasach lub zasadach zmieniają kolor. Substancje te zwane są wskaźnikami. Lakmus zmienia kolor z niebieskiego na czerwony w roztworze kwasu i z czerwonego na niebieski w roztworze alkalicznym.

KWASY NIEORGANICZNE
Kwasy nieorganiczne to związki chemiczne o wzorze ogólnym:
HnR

Gdzie:
H - Wodór (element stały)
n - Liczba atomów wodoru (element zmienny)
R - Reszta kwasowa (element zmienny)

Ogólny wzór sumaryczny kwasów tlenowych jest następujący:
HnEmOz
gdzie: E - atom niemetalu
EmOz - reszta kwasowa

Podział
- tlenowe HNO3 H3PO4 H2SO4
- beztlenowe HF HBr HJ H2S
- lotne wszystkie beztlenowe i HNO3
- nielotne pozostałe
- trwałe
- nietrwałe
- mocne HBr HCl HJ H2SO4 HNO3
- średnio mocne H3PO4
- słabe HF H2S
- jednowodorowe HR
- wielowodorowe H2R H3R H4R

Otrzymywanie 
- kwasy beztlenowe najczęściej otrzymuje się w reakcji bezpośredniej syntezy wodoru
z niemetalem
H2 + Cl2 -> 2HCL 2NaCl + H2SO4 -> 2HCL + Na2SO4
- otrzymywanie kwasów tlenowych - reakcje tlenków kwasowych z wodą
SO2 + H2O -> H2SO3
SO3 + H2O -> H2SO4
CO2 + H2O -> H2CO3 
N2O5 + H2O -> 2HNO3

Reakcje charakterystyczne kwasów
 - ulegają reakcji zobojętniania z wodorotlenkami
HCL + NaOH -> H2O + NaCl
HNO3 + Mg(OH)2 -> Mg(NO3)2 + 2H2O

- reakcje z metalami - jeżeli metal ma potencjał normalny ujemny to reakcja przebiega
według schematu: metal + kwas -> sól + H2 Zn + H2SO4 -> ZnSO4 + H2

- kwasy reagują z tlenkami tworząc sól i wodę H2SO4 + CuO -> H2O + CuSO4


Roztwarzanie w kwasie siarkowym (stężonym)

Cu + 2H2SO4 -> CuSO4 + SO2 + 2H2O 2Ag + 2H2SO4 -> Ag2SO4 + SO2 + 2H2O
2Fe + 6H2O -> Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2)


Roztwarzanie metali w kwasie azotowym (V)
HNO3 
3Cu + 8HNO3 -> 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O

Kwas azotowy(V) HNO3
Bezbarwna ciecz, temp. topnienia -41,1oC, temp. wrzenia 84oC, gęstość 1,52 g/cm3, silnie dymiąca na wilgotnym powietrzu. Występuje w znikomych ilościach w powietrzu (synteza tlenku azotu NO z pierwiastków podczas wyładowań elektrycznych), skąd przechodzi do gleby, tworząc azotany. Miesza się z wodą we wszystkich stosunkach, tworzy hydraty HNO3*H2O (temp. topnienia -38oC), HNO3*3H2O (temp. topnienia -18,5oC), z wodą tworzy azeotrop zawierający 69,2% HNO3 o temp. wrzenia 121,8oC i gęstości 1,41 g/cm3, rozkłada się powoli (czynnikiem przyśpieszającym tą reakcję jest światło): 4HNO3 4NO2 + 2H2O + O2 dzięki czemu roztwory kwasu azotowego mają zabarwienie żółte. Jest mocnym utleniaczem, palne substancje (np. drewno, słoma, bibuła) zapalają się po zwilżeniu stężonym kwasem azotowym. Rozpuszcza większość metali (z wyjątkiem metali szlachetnych np. Au, Pt) z wydzieleniem tlenków azotu. Niektóre metale (np. Al, Cr, Fe) ulegają pasywacji w stężonym kwasie azotowym, podczas gdy roztwarzają się w rozcieńczonym. Kwas azotowy utlenia niektóre niemetale (siarkę do kwasu siarkowego, fosfor do kwasu fosforowego). Zmieszany z kwasem siarkowym tworzy mieszaninę nitrującą, stosowaną do nitrowania związków organicznych. Mieszanina kwasu azotowego z kwasem solnym (w stosunku 1:3) nosi nazwę wody królewskiej. Woda królewska swą wyjątkową reaktywność zawdzięcza wolnemu chlorowi i chlorokompleksom tworzącym się w niej:
HNO3 + 3HCl NOCl + 2Cl + 2H2O. Dawniej był otrzymywany przez działanie kwasem siarkowym na azotany, obecnie jest produkowany metodą katalitycznego utleniania amoniaku (metoda Ostwalda). Tlenek azotu powstający w tej reakcji utlenia się tlenem z powietrza 2NO + O2 NO2 a następnie rozpuszcza w wodzie NO2 + H2O HNO3 + HNO2. Stosowany do wyrobu nawozów sztucznych, jedwabiu sztucznego, barwników, środków leczniczych, do nitrowania związków organicznych (m.in. przy produkcji materiałów wybuchowych), jako utleniacz w paliwach rakietowych.

Kwas borowy H3BO3
Ortoborowy kwas, borny kwas; bezbarwne krystaliczne ciało stałe, topi się w temp. 185oC. W wodzie jest słabo rozpuszczalny: w temp. 0oC 1,9g/100cm3, rozpuszczalność szybko rośnie ze wzrostem temperatury. W wodzie zachowuje się jak słaby kwas; K1 = 7,3*10-10, K2 = 1,8*10-13, K3 = 2*10-14, jego moc znacznie zwiększa się w obecności glicerolu lub mannitolu - przyczyną tego jest powstanie związku chelatowego. Podczas ogrzewania traci stopniowo wodę przechodząc w kwas metaborowy HBO2, a następnie tlenek B2O3. Z alkoholami, np. CH3OH, tworzy łatwo lotne estry. Otrzymywany przez wyparcie mocnym kwasem z soli - boraksu. Znajduje zastosowanie w lecznictwie (posiada własności dezynfekujące), do wyrobu emalii, w kosmetyce, przemyśle tekstylnym, mydlarskim, garbarskim, do lutowania, (kwasy poliborowe) itd.

Kwas fosforowy(V) H3PO4
Ortofosforowy(V) kwas; białe, krystaliczne ciało stałe, temp. topnienia 42,3oC, dobrze rozpuszczalne w wodzie (670g / 100g H2O w temp. 25oC). Jest kwasem trójprotonowym o średniej mocy (K1=1.1*10-2, K2=1.2*10-7, K3=1.8*10-12), tworzy trzy szeregi soli np. NaH2PO4, Na2HPO4, Na3PO4. W temperaturze pokojowej jest substancją trwałą, nie ma własności utleniających, podczas odwadniania ulega kondensacji tworząc kwasy polifosforowe. Jest otrzymywany w wyniku:
działania rozcieńczonym kwasem siarkowym na fosforan(V) wapnia (ew. apatyt lub zmielone kości):

Ca3(PO4)2 + 3H2SO4 3CaSO4 + 2H3PO4,
działania wodą na tlenek fosforu(V):
P2O5 + 3H2O 2H3PO4,

przez utlenianie fosforu czerwonego średnio stężonym kwasem azotowym:

3P + 5HNO3 + 2H2O 3H3PO4 + 5NO.

W handlu są syropowate 85-90% roztwory kwasu fosforowego. Stosowany głównie do wyrobu nawozów sztucznych (np. superfosfatu podwójnego), do wyrobu fosforanów, w przemyśle spożywczym (jako dodatek do napojów gazowanych [antyutleniacz] - symbol E 338), do wytwarzania fosforanowych powłok ochronnych na metalach, do wytwarzania wielu środków farmaceutycznych. Kwas fosforowy jest również używany do oczyszczania soków w cukrownictwie, jako płyn do lutowania, w stomatologii, do wyrobu kitów porcelanowych, w lecznictwie i laboratoriach analitycznych.

Kwas siarkowy(VI) H2SO4
Kwas siarkowy jest bezbarwną, żrącą, oleistą cieczą; wrze w temp. 296oC, topi się w temp. 10,36oC. Jest jednym z najważniejszych produktów stosowanych w przemyśle chemicznym i innych (jest najtańszym mocnym kwasem), miesza się z wodą we wszystkich stosunkach. Stężony kwas siarkowy jest silnie higroskopijny (dlatego jest stosowany jako środek suszący i odciągający wodę), powoduje zwęglanie substancji organicznych zawierających tlen i wodór. Stężony kwas siarkowy działa utleniająco, zwłaszcza w podwyższonej temp., rozpuszcza metale półszlachetne np. Cu, Ag, z wydzieleniem dwutlenku siarki:

Cu + 2H2SO4 CuSO4 + 2H2O + SO2. Kwas siarkowy jest bardzo mocnym kwasem dwuprotonowym. Metale znajdujące się w szeregu napięciowym przed wodorem rozpuszczają się w rozcieńczonym kwasie siarkowym z wydzieleniem wodoru. Jako kwas trudno lotny jest stosowany do wypierania kwasów lotniejszych np. HNO3, HCl, CH3COOH z ich soli np.

NaCl + H2SO4 HCl + NaHSO4 . Tworzy sole: siarczany i wodorosiarczany. SO3 rozpuszcza się w kwasie siarkowym. tworząc oleum czyli dymiący kwas siarkowy, w którym występują kwasy polisiarkowe np. kwas dwusiarkowy(VI) H2S2O7. Dawniej otrzymywany był metodą komorową (utlenianie SO2 do SO3 tlenkami azotu), obecnie jest otrzymywany metodą kontaktową (utlenianie SO2 do SO3 tlenem z powietrza w obecności platyny lub tlenku wanadu(V) jako katalizatora). Stosowany w zależności od stężenia do: wyrobu rozpuszczalnych nawozów fosforowych, siarczanu amonu i innych nawozów sztucznych, do oczyszczania (trawienia) powierzchni metali (np. żelaza w celu usunięcia rdzy przed cynkowaniem, cynowaniem lub emaliowaniem), do suszenia gazów, produkcji papieru, rafinacji tłuszczów i olejów, do oczyszczania nafty i wosku ziemnego, do wyrobu włókien sztucznych i materiałów wybuchowych, otrzymywania innych chemikaliów, jako elektrolit w akumulatorach do sulfowania i nitrowania związków organicznych, w garbarstwie, drożdżownictwie, gorzelnictwie, farbiarstwie, itp. Postać handlowa: kwas siarkowy techniczny 76-78%, gęstość 1,7g/cm3, kwas siarkowy techniczny stężony 94-96%, gęstość1,84g/cm3, kwas siarkowy czysty stężony 95,6-98,8%, gęstość 1,84g/cm3, kwas siarkowy. akumulatorowy ok. 30% H2SO4.

Kwas solny HCl aq
Nazwa systematyczna: kwas chlorowodorowy; bardzo czynny chemicznie, mocny kwas, będący wodnym roztworem gazowego HCl. Nasycony w temperaturze 15oC wodny roztwór kwasu solnego ma stężenie 42,7% i gęstość 1,21g/cm3. W handlu znajduje się około 38% roztwór o gęstości 1,19g/cm3. Rozpuszcza z wydzieleniem wodoru metale znajdujące się przed wodorem w szeregu napięciowym, np. Mg + 2HClaq H2 + MgCl2, oraz tlenki, wodorotlenki i węglany metali, tworząc chlorki. Kwas chlorowodorowy znajduje się w soku żołądkowym (ok. 0,5%). Jest otrzymywany przez absorpcję chlorowodoru w wodzie. Chlorowodór do produkcji kwasu solnego wytwarza się syntetycznie z chloru i wodoru H2 + Cl2 2HCl (temp. procesu około 700-900oC), wykorzystuje się gazy odpadowe z chlorowania związków organicznych, na przykład syntezy chlorku benzylu: 
C6H6 + Cl2 C6H6Cl + HCl lub otrzymuje się przez działanie stężonym kwasem siarkowym na chlorek sodu


H2SO4 + 2NaCl Na2SO4 + 2HCl (temp. procesu około 400-500oC). Stosowany w przemyśle metalurgicznym, włókienniczym, cukrowniczym, oraz do produkcji mas plastycznych, barwników organicznych i innych. Znajduje również zastosowanie w lecznictwie i jako jeden z podstawowych odczynników laboratoryjnych. Jest składnikiem różnych środków czyszczących np. Cilitu (około 10% kwasu solnego) i innych.

KWASY ORGANICZNE
Kwasy organiczne są to substancje, których struktura oparta jest na łańcuchu węglowym. Są one także nazywane kwasami karboksylowymi. Kwasy te występują w przyrodzie i podlegają całkowicie metabolizmowi. Dlatego ich wartość energetyczną można wliczać do puli energii zawartej w dawce pokarmowej.


Wzór ogólny 
CnH2n+1—COOH

Podział kwasów:
- niższe kwasy karboksylowe

- wyższe kwasy karboksylowe

Przykłady kwasów organicznych

Benzoesowy kwas
Jest najprostszym aromatycznym kwasem karboksylowym. Krystalizuje w postaci igieł lub płatków, topi się w temp. 121,5oC, sublimuje w temp. 100oC, wrze w zatopionej rurze szklanej w temp. 249oC. Jest trudno rozpuszczalny w wodzie, rozpuszcza się w rozpuszczalnikach organicznych, lotny z parą wodną. Otrzymywany różnymi metodami z kwasu ftalowego lub toluenu. Stosowany w wielu dziedzinach przemysłu; farmaceutycznego, spożywczego (środki konserwujące - kwas benzoesowy E 210), produkcji barwników i środków zapachowych.

Cytrynowy kwas
Bezbarwne, przezroczyste kryształy lub krystaliczny proszek, temp. topnienia 153oC. Bardzo dobrze rozpuszczalny w wodzie, alkoholu, eterze. Występuje w roślinach (w sporych ilościach w cytrynie - stąd nazwa zwyczajowa), organizmach ludzkich i zwierzęcych (potrzebny organizmowi w cyklu dostarczania energii z węglowodanów). Otrzymywany z soku niedojrzałych cytryn lub z cukrów (glukozy, maltozy) przez fermentację za pomocą pewnych gatunków pleśni (Citromyces). Stosowany w medycynie, w przemyśle spożywczym jako regulator kwasowości w wielu produktach (galaretki, napoje, kremy, ciasta) - ma symbol E 330, jako środek do czyszczenia i polerowania stali nierdzewnej i innych metali, do produkcji żywic aldehydowych oraz nietoksycznych zmiękczaczy do tworzyw sztucznych. Nazwa systematyczna: kwas 2-hydroksy-1,2,3-propanotrikarboksylowy.

Masłowy kwas
Kwas butanowy; alifatyczny kwas monokarboksylowy, ciecz, temperatura topnienia -5,5oC, temp. wrzenia 163oC, w temp. wyższej niż -3,8oC miesza się w każdym stosunku z wodą, alkoholem i eterem. Posiada bardzo nieprzyjemny zapach zjełczałego tłuszczu. Występuje w zjełczałym maśle (stąd nazwa zwyczajowa) w postaci estrów z gliceryną. Otrzymywany w wyniku fermentacji surowców o dużej zawartości cukru i skrobi wywołanej grzybkami Bacillus butyricus. Stosowany do otrzymywania środków garbujących, zapachowych (estry kwasu masłowego) oraz leków.

Mrówkowy kwas
Kwas metanowy; pierwszy człon szeregu homologicznego kwasów jednokarboksylowych, utlenia się na bezwodnik węglowy i wodę, działa redukująco w odróżnieniu od kolejnych homologów. Jest cieczą, temp. topnienia 8,3oC, temp. wrzenia 101oC, miesza się z wodą, alkoholem, eterem, rozpuszczalny w benzenie. Posiada ostrą woń, nadżera naskórek. Występuje w ciele mrówek (stąd nazwa zwyczajowa). Otrzymywany technicznie z CO i NaOH pod zwiększonym ciśnieniem w temp. 150-170oC. Wolny kwas i jego sole są stosowane w garbarstwie, przemyśle spożywczym (dodatek do żywności - symbol E 236), chemicznym i farbiarskim.

Octowy kwas
Etanowy kwas; bezwodny nosi nazwę lodowaty kwas octowy. Ciecz, temp. topnienia 16,5oC, temp. wrzenia 118,5oC, nieograniczenie rozpuszczalny w wodzie, alkoholu i eterze, higroskopijny, posiada ostry zapach octu. Otrzymywany katalitycznie z acetylenu (przez aldehyd octowy jako półprodukt), jako produkt uboczny suchej destylacji drewna lub w wyniku fermentacji octowej roztworu etanolu. Stosowany w przemyśle organicznym, np. jako środek acetylujący, do produkcji bezwodnika octowego i octanów, w przemyśle tworzyw sztucznych jako rozpuszczalnik i reagent, np. do produkcji jedwabiu octanowego, w przemyśle barwników, farmaceutycznym oraz w postaci octu w przemyśle spożywczym (np. jako składnik marynat) - symbol E 260.

Salicylowy kwas
o-Hydroksybenzoesowy kwas; najważniejszy hydroksykwas aromatyczny. Białe igły, temp. topnienia 158oC, sublimuje, trudno rozpuszczalny w wodzie, łatwo rozpuszczalny w alkoholu i eterze. Posiada słabe własności antyseptyczne. Otrzymywany z fenolu w reakcji Kolbego. Stosowany w lecznictwie, w przemyśle barwników, perfumeryjnym, w syntezie organicznej oraz jako wskaźnik fluorescencyjny. Duże znaczenie mają jego sole i estry.

Szczawiowy kwas
Kwas etanodiowy; pierwszy w szeregu nasyconych kwasów dikarboksylowych. Z roztworu wodnego krystalizuje w postaci dwuhydratu, temp. topnienia bezwodnego 189,5oC z rozkładem, sublimuje, rozpuszczalny w wodzie, alkoholu i eterze. Powstaje w wyniku utleniania wielu związków organicznych (np. cukrów) kwasem azotowym. Występuje w roślinach (szpinak, rabarbar, szczaw) w postaci szczawianów oraz w niewielkich ilościach w moczu zwierząt i ludzi. Otrzymywany w wyniku ogrzewania mrówczanu sodu do temp. 400oC, lub przepuszczenia dwutlenku węgla nad sodem lub potasem metalicznym w temp.

Szczawiowy kwas
Kwas etanodiowy; pierwszy w szeregu nasyconych kwasów dikarboksylowych. Z roztworu wodnego krystalizuje w postaci dwuhydratu, temp. topnienia bezwodnego 189,5oC z rozkładem, sublimuje, rozpuszczalny w wodzie, alkoholu i eterze. Powstaje w wyniku utleniania wielu związków organicznych (np. cukrów) kwasem azotowym. Występuje w roślinach (szpinak, rabarbar, szczaw) w postaci szczawianów oraz w niewielkich ilościach w moczu zwierząt i ludzi. Otrzymywany w wyniku ogrzewania mrówczanu sodu do temp. 400oC, lub przepuszczenia dwutlenku węgla nad sodem lub potasem metalicznym w temp. 360oC. Stosowany w analizie wagowej do oznaczania miana roztworu nadmanganianu potasu, w farbiarstwie jako czynnik odbarwiający, w syntezie organicznej.

Warto zwrócić uwagę, iż konfiguracja wiązań podwójnych w wyżej przedstawionych kwasach nienasyconych jest zawsze cis a nie trans, mimo iż ta byłaby trwalsza. Cząsteczki nasyconych kwasów tłuszczowych czy też nienasyconych izomerów trans są co prawda zygzakami (ponieważ kąt między wiązaniami wynosi 109,5o), lecz rozciągniętymi wzdłuż prostej (pierwszy i drugi rysunek poniżej). Nienasycone izomery cis mają natomiast zgięcia (trzeci rysunek poniżej), wskutek czego cząsteczki nie mogą tak dobrze przylegać do siebie i siły oddziaływań między nimi są mniejsze niż w poprzednim przypadku. Wpływa to na obniżenie temperatury topnienia.

Uwaga: wzory kwasów znajdują się w załączniku