Substancje chemiczne

SUBSTANCJE CHEMICZNE

○ TLENKI
○ Najprostsze połączenia tlenu to tlenki proste, w których cząsteczkach tlen występuje jako pierwiastek dwuwartościowy.
CaO – tlenek wapnia
CrO2 – tlenek chromu (IV)
K2O – tlenek potasu
○ Niektóre pierwiastki, na przykład Fe i Pb, tworzą obok prostych tlenków tzw. tlenki mieszane, w których część atomów metalu ma inną wartościowość niż pozostałe. Przykładami takich tlenków są Fe3O4 i Pb3O4.
○ Inną grupą zawierającą tlen, to nadtlenki, w których występuje tzw. wiązanie nadtlenkowe. Wiązanie to polega na połączeniu dwóch atomów tlenu ze sobą. Najważniejszym związkiem tego typu jest H2O2 – nadtlenek wodoru o wzorze strukturalnym: H–O–O–H (trzyprocentowy roztwór tego związku to tzw. woda utleniona). Inne ważne nadtlenki to: BaO2 – nadtlenek baru i K2O2 – nadtlenek potasu.
○ Nadtlenki są nietrwałe, silnie utleniające, a niektóre także wybuchowe.
○ Większość tlenków można otrzymać podczas bezpośredniej reakcji syntezy z danym pierwiastkiem:
Si + O2 → SiO2
4 Al + 3 O2 → Al2O3
○ Podczas syntezy tlenu może powstać tlenek niższy (przy niedomiarze tlenu) lub wyższy (przy nadmiarze tlenu).
2 Cu + O2 → 2 CuO – przy niedomiarze tlenu
4 Cu + O2 → 2 Cu2O – przy nadmiarze tlenu
○ W zależności od tego czy do spalenia użyjemy większej czy mniejszej ilości tlenu, węgiel spali się w nim do tlenku węgla (II) lub tlenku węgla (IV)
2 C + O2 → 2 CO
C + O2 → CO2
○ Czasami do otrzymania tlenku potrzebny jest katalizator, czyli substancja biorąca udział w reakcji i przyspieszająca jej przebieg, ale niezużywająca się w niej, a po zakończonej reakcji pozostająca w ilości i formie chemicznej takiej, jak przed reakcją.
○ Inną metodą otrzymywania tlenków jest reakcja utleniania niższych tlenków:
2 NO + O2 → 2 NO2
○ Tlenki powstają również w reakcjach analizy z soli kwasów tlenowych:
CaCO3 → CaO + CO2↑
○ Bądź można je uzyskać po potraktowaniu siarczanów (IV) i węglanów kwasem:
MgSO3 + 2 HCl →MgCl2 + H2O + SO2↑
○ Lub z wodorotlenków:
Cu(OH)2 → CuO + H2O
○ Właściwości fizyczne: prawie wszystkie tlenki metali i półmetali to ciała stałe, o bardzo wysokiej temp. topnienia. Tlenki niemetali maja różne stany skupienia w warunkach normalnych: stałe (SiO2, P4O10), ciekłe (H2O, Cl2O7) i gazowe (NO, SO2, CO2). Większość tlenków jest bezbarwna.
○ Właściwości chemiczne: większość tlenków metali i niemetali reagując z kwasami dają sól, niższe tlenki, mogą utleniać się do tlenków wyższych, tlenki metali I i II grupy układu okresowego reagują z wodą, tworząc wodorotlenki, prawie wszystkie tlenki niemetali reagują z wodą, dając kwasy, np.:
N2O5 + H2O → 2 HNO3
tlenki takie nazywane są bezwodnikami kwasowymi.
○ Opisane powyżej procesy, w których substancja rozpuszcza się w wodzie na skutek reakcji chemicznej, określa się jako roztwarzanie. Niektóre tlenki pod wpływem ogrzewania rozkładają się do pierwiastków lub do niższych tlenków:
4 CrO3 → 2 Cr2O3 + 3 O2
○ Zdolność do reakcji z kwasami i zasadami pozwala podzielić tlenki na 4 kategorie: kwasowe, zasadowe, amfoteryczne i obojętne.
○ WODOROTLENKI
○ Wodorotlenki to związki zawierające atom metalu i jedna lub kilka grup wodorotlenowych. Wzór ogólny wodorotlenków: E(OH)X, gdzie „E” to symbol metalu lub półmetali, a „x” to liczba grup wodorotlenowych w cząsteczce wodorotlenku
○ Właściwości fizyczne:
wodorotlenki w większości przypadkach to ciała stałe, często zabarwione, o różnej rozpuszczalności w wodzie – od bardzo dobrze rozpuszczalnych wodorotlenków litowców, poprzez słabo rozpuszczalne wodorotlenki wapniowców, po bardzo słabo rozpuszczalnych prawie wszystkich związków tego typu. Wodorotlenki o silnych właściwościach zasadowych nazywamy alkaliami, a ich wodne roztwory ługami. Wodorotlenki sodowe i potasowe wykazują tzw. śliskość roztworu. Maja one właściwości higroskopijne (pochłania parę wodna z powietrza). Wodne roztwory wodorotlenków barwią papierek uniwersalny i lakmusowy na niebiesko, fenoloftaleinę na malinowo, a oranż metylowy na żółto.
○ Właściwości chemiczne:
podstawową cechą wodorotlenków jest zdolność do reagowania z kwasami. Wodorotlenki można podzielić na dwie grupy:
• Zasadowe – reagują z kwasami a nie zasadami
Ca(OH)2 + 2 HCl → CaCl2 + 2 H2O
• Amfoteryczne – reagują z mocnymi kwasami i zasadami
H2ZnO2 + 2 NaOH → Na2ZnO2 + 2 H2O
wiele wodorotlenków amfoterycznych nie rozpuszcza się w wodzie. Właściwości amfoteryczne posiadają również:
Al(OH)3 – H3AlO3, Cr(OH)3 – H3CrO3, As(OH)3 – H3AsO3
○ Wodorotlenki i ich wodne roztwory, czyli zasady, są substancjami bardzo aktywnymi chemicznie i biorą udział w wielu rodzajach reakcji, z których najważniejsze to reakcje kwasowo-zasadowe, określane inaczej jako reakcje neutralizacji (zobojętniania), wymiany w roztworach, rozkładu termicznego.
○ Reakcje kwasowo-zasadowe są charakterystyczne dla wszystkich wodorotlenków oraz amoniaku. Związki te reagują w roztworach wodnych z mocnymi kwasami, tworząc sole:
NaOH + HCl → NaCl + H2O
LiOH + HBr → Libr + H2O
Reakcje zobojętnienia zachodzą również z udziałem tlenków kwasowych:
Ca(OH)2 + SO3 → CaSO4 + H2O
12 KOH + P4O10 → 4 K3PO4 + 6 H2O
○ Reakcje wymiany to głównie reakcje wodorotlenków rozpuszczalnych w wodzie z solami:
CuSO4 + 2 NaOH → Cu(OH)2↓ + Na2SO4
○ Reakcja rozkładu termicznego – prawie wszystkie wodorotlenki są nietrwałe (jedynie wodorotlenki litowców mogą się topić bez rozkładu) i w odpowiednio wysokiej temp. rozkładają się do tlenku i wody:
2 AgOH → Ag2O + H2O
○ Wodorotlenki powstają w wielu różnych reakcjach, których najważniejsze to reakcje aktywnych metali (litowce i berylowce) z wodą, reakcje tlenków zasadowych z wodą oraz – dla wodorotlenków nierozpuszczalnych – reakcje strącania ich z roztworów soli odpowiednich metali.
○ W wypadku potasu, rubidu i cezu reakcja z wodą przebiega bardzo gwałtownie. Przy użyciu większych ilości metalu następuje wybuch.
○ KWASY
○ Kwasy to związki zbudowane z atomów wodoru i reszty kwasowe. Wzór ogólny kwasów wygląda następująco: HnR, gdzie H – atom wodoru (jednowartościowy), n –wartościowość reszty kwasowej równa liczbie atomów wodoru w cząsteczce danego kwasu, R – reszta kwasowa
○ Kwasy dzielimy na dwie grupy: tlenowe i beztlenowe.
○ Kwasy beztlenowe to wodne roztwory tlenków niemetali, znajdujących się w 16. i 17. grupie układu okresowego, np.: HBr, HF, HCl itp.
○ Kwasy tlenowe to związki zawierające w reszcie kwasowej atom pierwiastka kwasotwórczego i od 1 do 6 atomów tlenu. Pierwiastkiem kwasotwórczym jest na ogół niemetal (np. siarka, azot, fosfor), półmetal (np. krzem), jak i metal o dużej wartościowości ( np. Mn(VII) w kwasie HMnO4 czy Cr(VI) w kwasie H2Cr2O7).

Kwas Nazwa
HCl(aq) Kwas chlorowodorowy
H2S(aq) Kwas siarkowodorowy
HCN(aq) Kwas cyjanowodorowy
HF Kwas fluowodorowy
HI Kwas jodowodorowy
HBr Kwas bromowodorowy
HNO3 Kwas azotowy (V)
HNO2 Kwas azotowy (III)
HPO3 Kwas metafosforowy (V)
H3PO4 Kwas ortofosforowy (V)
H2SO4 Kwas siarkowy (VI)
H2SO3 Kwas siarkowy (IV)
HMnO4 Kwas manganowy (VII)
HClO Kwas chlorowy (I)
HClO2 Kwas chlorowy (III)
HClO3 Kwas chlorowy (V)
HClO4 Kwas chlorowy (VII)
H2CrO4 Kwas chromowy (VI)
H2Cr2O7 Kwas dichromowy (VI)
H2SiO3 Kwas metakrzemowy
H2SiO4 Kwas ortokrzemowy
H3BO3 Kwas ortoborowy
H2CO3 Kwas węglowy

○ Niektóre pierwiastki maja zdolność do tworzenia tzw. polikwasów, zawierających 2 lub więcej atomów pierwiastka kwasotwórczego. Do najważniejszych polikwasów należą kwasy fosforu (V): H4P2O7 – kwas difosforowy(V), H5P3010 – kwas trifosforowy(V). kwasy te maja znaczenie w biochemii.
○ Kwasy tlenowe otrzymuje się podczas reakcji odpowiedniego bezwodnika (tlenku kwasowego) z wodą:
N2O5 + H2O → 2 HNO3
○ Kwasy beztlenowe otrzymuje się rozpuszczając w wodzie odpowiedni wodorek:
HCl (chlorowodór - gaz) → HCl (aq) kwas chlorowodorowy – ciecz
○ Kwasy, których tlenki nie reagują z wodą, np.: SiO2, uzyskuje się zazwyczaj z ich soli. Na taka sól działa się innym mocnym kwasem, w wyniku czego interesujący nas kwas zostaje wyparty z soli:
K2SiO3 + 2 HCl → 2 KCl + H2SiO3↓
wypierany kwas jest słabo rozpuszczalny w wodzie
○ Właściwości fizyczne:
Kwasy są przeważnie cieczami. Roztwór wodny kwasu barwi papierek lakmusowy i uniwersalny oraz oranż metylowy na czerwono, fenoloftaleina pod wpływem kwasów nie zmienia swojego zabarwienia. Kwas siarkowy(VI) i kwas ortofosforowy(V) są silnie higroskopijne, a co za tym idzie bardzo żrące.
○ Kwas zdysycjowany to taki, który w wodzie uległ rozpadowi na jony H+ i jonu reszty kwasowej
○ Kwas mocny to taki, który jest całkowicie, albo prawie całkowicie dysocjowany w wodnym roztworze.
○ Kwas słaby ulega dysocjacji w znacznie mniejszym stopniu: tylko niewielki ułamek cząsteczki rozpada się na jony, a reszta pozostaje w roztworze pod postacią cząsteczek niezdysocjowanych
○ SOLE
○ Solami nazywamy związki chemiczne, których cząsteczki zawierają jeden lub kilka kationów i jeden lub kilka anionów reszty kwasowej.
○ Są to substancje stałe, często o wyraźnej budowie krystalicznej. Większość z nich jest dosyć odporna na działanie wysokich temperatur, ale istnieją też sole łatwo rozkładające się w podwyższonej temperaturze – należą do nich przede wszystkim sole amonowe i węglany metali. Rozpuszczalność w wodzie jest bardzo różna: od praktycznie nierozpuszczalnych się, do takich, których roztwory nasycone maja stężenia 70-procentowe.
○ W wypadku nazewnictwa wodorosoli w nazwie podaje się liczbę atomów wodoru, jakie pozostały przy reszcie kwasowej, nazwę reszty kwasowej zostawiamy natomiast bez zmian, np.: KHSO4 – wodorosiarczan (VI) potasu.
○ Otrzymywanie soli:
• Metal + kwas → sól + wodór
• Tlenek zasadowy lub amfoteryczny + kwas → sól + woda
• Wodorotlenek + kwas → sól + woda
• Tlenek zasadowy lub amfoteryczny + tlenek kwasowy → sól
CuO + SO3 → CuSO4
• Metal + niemetal → sól kwasu beztlenowego
• Wodorotlenek + tlenek kwasowy → sól + woda
• Mocny kwas + sól kwasu słabego →słaby kwas + sól mocnego kwasu
• Mocna zasada + sól słabej zasady →słaba zasada +sól mocnej zasady
• Sól 1 + sól 2 → Sól 3 + sól 4
d.r.w. d.r.w. d.r.w. n.r.w.
○ Właściwości chemiczne: w roztworze wodnym sól może reagować z innymi solami i kwasami. Kwas może reagować z solą, jeżeli jest mocniejszy od kwasu, którego reszta jest zawarta w soli oraz kiedy powstaje bardzo trudno rozpuszczalna sól
○ Aby w roztworze wodnym zachodziła reakcja sól + sól, co najmniej jeden z powstających produktów musi być słabo rozpuszczalny
○ W podwyższonej temp. sole niektórych kwasów tlenowych rozkładają się z wydzieleniem tlenu. Mogą wtedy powstawać nowe sole:
2NaNO3 → 2NaNO2 + O2↑
2 KClO3 → 2KCl + 3 O2
○ Wyjątkiem wśród soli są sole amonowe, które zawierają zamiast kationu metalu jednowartościowy kation amonowy NH+4. Sole te pod względem rozpuszczalności są podobne do soli potasowych. Charakterystyczna cechą soli amonowych jest to, ze rozkładają się w podwyższonej temp.