Kwasy tlenowe

1. Kwasy tlenowe

Zakładam, że jesteś już po pasjonującej lekturze kwasów beztlenowych i niczym netlfixowy binge−reading lecisz teraz dalej z kwasami tlenowymi.

Zaczynamy od podstaw. Jakie w ogóle mamy kwasy tlenowe, które musimy znać? Właściwie to analogicznie jak w kwasach beztlenowych odpowiedzią mogłoby być buntownicze : ,,żadnych!” , bo wszystkie znajdziemy w tablicach maturalnych!

Wszystkie kwasy tlenowe, które znajdziemy w maturalnych tablicach.

Oczywiście dla kwasów tlenowych działa reguła krzyżowa, po prostu musisz pamiętać, że anion jest teraz złożony, bardziej skomplikowany, bo składa się z tak zwanego atomu centralnego (typowo N, P oraz S) połączonego z atomami tlenu – nazywamy to resztą kwasową. Czyli patrząc na wzór kwasu tlenowego i jednocześnie pamiętając, że wodór ma wartościowość równą I, to bez problemu możemy ustalić wartościowość całego anionu.

Pamiętajmy, że wartościowość anionu to nie jest to samo co wartościowość atomu centralnego!

Kwas HNO2 HNO3 H2SO3 H2SO4 H2CO3 H3PO4
Nazwa :
kwas
azotowy (III) azotowy (V) siarkowy (IV) siarkowy (VI) węglowy (IV) fosforowy (V)
Wartościowość
atomu centralnego
IIIVIVVIIVV
Wartościowość
reszty kwasowej
I I II II II II
Stopień utlenienia
atomu centralnego
+III+V+IV+VI+IV+V
To co zawsze się myli na początku nauki to nie rozróżnianie wartościowości całego anionu (reszty kwasowej) od atomu centralnego i mylenie ich wartościowości.

Zróbmy to samo dla pozostałych kwasów, w ramach treningu – te tabelki trzeba przede wszystkim zrozumieć i na tym się skup! Weźmy dowolny kwas, trudno wyglądający, niech to będzie arsenowy (III) oraz krzemowy.

H3AsO3 ⟶ 3H+ + As3+ + 3O2ー

H4SiO4 ⟶ 4H+ + Si4+ + 4O2ー

Mam wielką nadzieję, że to Ci wygląda znajomo! Przecież to była nasza metoda ustalania stopni utlenienia w związkach! Już zatem rozumiesz, jak ustalić te cyferki w nazwach kwasów.

Kwas HClO HClO2 HClO3 H3AsO3 H3AsO4 H3BO3
Nazwa :
kwas
chlorowy
(I)
chlorowy
(III)
chlorowy
(V)
arsenowy
(III)
arsenowy
(V)
borowy
(III)
Wartościowość
atomu centralnego
IIIIVIIIVIII
Wartościowość
reszty kwasowej
IIIIIIIIIIII
Stopień utlenienia
atomu centralnego
+I+III+V+III+V+III
Cały czas to samo

Należy uważać na automatycznie przypisywanie ilości atomów wodoru kwasowych na podstawie samego wzoru sumarycznego. Pamiętamy, że tylko wodory związane w grupie ―OH ulegają dysocjacji, podczas gdy te połączone bezpośrednio z atomem centralnym już nie. Przykładowo kwas H3PO2  jest kwasem jednoprotonowym, co lepiej widać jeśli przedstawilibyśmy go w postaci (HO)POH2 wyodrębniając jedną grupę ―OH. Tego co prawda akurat nie musisz wiedzieć (tego kwasu nie ma w tablicach), ale mogłoby się pojawić zadanie, w którym przedstawiliby wzór elektronowy tego kwasu i trzeba by właśnie powiedzieć iluprotonowy to jest kwas!

I jest jeszcze jedno, ważne pytanie. Czemu np. kwas fosforowy (V) nie ma wzoru HPO3 [1]?

2. Właściwości kwasów tlenowych

Mamy do omówienia reakcje kwasów tlenowych oraz czynniki, które wpływają na ich moc. Reakcje omawiamy w osobnym poście, aby mieć wszystko w jednym miejscu, podobnie w osobnym artykule będziemy ogarniać od czego zależy moc kwasów. Ale już teraz zerkniemy do tablic maturalnych, żeby zobaczyć, że wnioski możesz wysnuć samemu, natomiast na pytanie : ,,Czemu tak jest?” odpowiemy następnym razem.

Wycinek z maturalnych tablic pokazujący wartości stałych dysocjacji dla kilku kwasów tlenowych. Co widzisz?

Bez problemu widzimy, że im więcej atomów tlenu, tym mocniejszy kwas. Dokładniej, chodzi o ilość atomów tlenu połączonych bezpośrednio z atomem centralnym, ale to już wszystko w następnym poście. Drugim czynnikiem jest jeszcze elektroujemność atomu centralnego. To uwydatnia się jeśli spojrzymy na zależność w grupie :

To porównaj z kwasem azotowym (V) HNO3 , dla którego stała wynosiła 27,5.

Widzimy, że faktycznie im większa elektroujemność tym mocniejszy kwas.

3. Kwasy azotowe

Kwas azotowy (V) (HNO3 to oczywiście najważniejszy kwas azotowy. Jest to bezbarwna ciecz, mocny kwas. Po jakimś czasie pod wpływem światła przybiera żółtą barwę co jest spowodowane częściowym rozkładem do tlenku NO2 . Kwas azotowy (V) miesza się z wodą w każdym stosunku. Jego bezwodnikiem jest tlenek N2O5 .

N2O5 + H2O ⟶ 2 HNO3 otrzymywanie HNO3

4HNO3  ⟶   4NO2  +  2H2O  +  O2 przyczyna żółtego zabarwienia

Wzór elektronowy kwasu azotowego (V)

Kwas azotowy (III) (HNO2 2 . Jest trwały tylko w zimnych, rozcieńczonych roztworach oraz w postaci soli (azotanów III). Jest kwasem o średniej mocy. Ogrzewanie lub zatężanie (proces przeciwny do rozcieńczania) prowadzi do dysproporcjonacji.  

3HNO2  ⟶   HNO3  +  2NO  +  H2O  

Sole tego kwasu, czyli azotany (III) znajdują zastosowanie w chemii analitycznej zarówno jako utleniacze (redukcja do NO), jak i reduktory (utlenianie do azotanów (V)). Najbardziej znanym przykładem jest utlenianie jodków obecnych w roztworze do jodu w środowisku kwaśnym, gdy jednocześnie taka reakcja nie zajdzie z anionami bromkowymi (ważne!). Dodatek skrobi powoduje intensywnie niebieskie zabarwienie (ze względu na powstający jod). 

2KI  +  2NaNO2 +  4HCl  ⟶  I2  +  2NO  +  2H2O + 2NaCl + 2KCl ➤ zapis cząsteczkowy

2I  +  2NO2 +  4H+  ⟶  I2  +  2NO  +  2H2O ➤ zapis jonowy skrócony

4. Kwasy siarkowe

Kwas siarkowy (VI) (H2SO4 to oczywiście najważniejszy kwas siarki. Czysty H2SO4 to bezbarwna, oleista ciecz, bez zapachu. Miesza się z wodą w każdym stosunku. Jest silnie higroskopijny (dlatego też stosuje się go do osuszania gazów). Lubi łączyć się z wodą i często w ten sposób reaguje z innymi cząsteczkami (zabierając z nich cząsteczkę H2O). Stężony H2SO4  w warunkach zwiększonej temp. ma właściwości utleniające (może powodować pasywację niektórych metali). Uwaga : rozcieńczone roztwory H2SO4 nie mają tych utleniających właściwości! Kwas siarkowy (VI) cechuje się dużą lepkością, ze względu na wytwarzanie wiązań wodorowych. 

Charakterystyczna jest dysocjacja H2SO4 w roztworach wodnych : pierwszy etap dysocjacji zachodzi właściwie w 100 procentach (dlatego zapisujemy z wykorzystaniem strzałki ⟶) , podczas gdy anion HSO4  zachowuje się już jako słaby kwas i jego dysocjacja jest odwracalna (dlatego zapisujemy ze strzałką  ⇄ ).

H2SO4  ⟶  HSO4  +  H+

HSO4ー   ⇄   SO42ー  +  H

Gorący kwas siarkowy (VI) utlenia także niemetale, co stanowi przykład reakcji świetnie nadających się na maturę! Reakcje te mogą Ci się wydawać na pierwszy rzut oka dziwne, jednak zauważ, że przebiegają one identycznie jak z metalami (np. miedzią), bo także powstaje SO2  +  H2O  , po prostu produkt utlenienia jest inny.

C  +  2H2SO4  ⟶  CO2  +  2SO2  +  2H2

S  +  2H2SO4  ⟶  3SO2  +  2H2

Warto wiedzieć, że siarczany litowców i berylowców są termicznie trwałe (podczas ogrzewania raczej się nie rozkładają), natomiast siarczany metali trójwartościowych są już nietrwałe w wysokich temperaturach i mogą ulegać rozkładowi, co wiąże się z ubytkiem masy, który z kolei może się pojawić w zadaniach obliczeniowych. 

Fe2(SO4)3  ⟶   Fe2O3  +  3SO3 

Wzór elektronowy Lewisa kwasu siarkowego (VI) został podany poniżej wraz z pokazaniem wiązań koordynacyjnych. Po prawej stronie zaznaczono schematycznie ułożenie atomów w tetraedrze (nie rysowałem wiązań między siarką i tlenami, żeby było przejrzyście).

Wzór elektronowy kwasu siarkowego (VI)

Kwas siarkowy (IV) (H2SO3 to drugi najważniejszy kwas siarki. Może być zdziwieniem, że wolnego H2SO3 nie udaje się otrzymać. Jego bezwodnik czyli SO2 w wodnym roztworze ma oczywiście odczyn kwasowy i przewodzi prąd elektryczny, jednak równowaga reakcji, która to potwierdza jest mocno przesunięta w lewą stronę. Znane są za to jego sole jak siarczan (IV) sodu czy potasu. Z tego też powodu, analogicznie jak dla kwasu węglowego, gdy w produktach miałby nam powstawać H2SO3  to rozpisujemy to w formie kombinacji  SO2  +  H2O. 

SO2  +  H2O  ⇄  HSO3  +  H+     

Patrząc na powyższe równanie można powiedzieć, że zamiast tworzenia H2SO3 powstają od razu jony, które powstałyby podczas jego dysocjacji. Jak widać z tej równowagi w środowisku kwaśnym dominuje SO2 (reguła przekory), natomiast w środowisku zasadowym dominuje anion wodorosiarczanowy (IV), czyli  HSO3

Istnieje wodorosiarczan (IV) sodu NaHSO3 , jednak w stanie czystym nie daje się go otrzymać, ponieważ podczas zatężania takich roztworów następuje odszczepienie cząsteczki SO2 oraz wody z utworzeniem siarczanu (IV) – zwróć uwagę, że identycznie przebiega reakcja z NaHCO3 . Modyfikacja warunków tej reakcji (prowadzenie w obecności SO2) natomiast prowadzi do utworzenia innego szeregu siarczanów :  Na2S2O5 [2] .

2NaHSO3  ⟶  Na2SO3  +  SO2  +  H2O

4. Inne ważne kwasy tlenowe

Kwas fosforowy (V) (H3PO4) będący najważniejszym kwasem fosforu. Jego bezwodnikiem jest oczywiście tlenek fosforu (V) czyli P4O10 . Jest to trójprotonowy kwas (o średniej mocy). Nazywany także kwasem ortofosforowym (V).

P4O10 + 6H2O  ⟶  4H3PO4

Wzór elektronowy kwasu fosforowego (V)

Dysocjacja dla kwasu fosforowego (V) wygląda następująco :

H3PO4    ⇄ H+ +  H2PO4 

H2PO4  ⇄ H+ +   HPO42ー 

HPO42ー   ⇄ H+ +   PO43ー


No i czas na mega dziwny kwas borowy.

Kwas borowy (H3BO3 jest faktycznie bardzo słabym kwasem jednoprotonowym, ale w wodzie nie funkcjonuje jako dawca protonów (kwas Bronsteda), lecz jako akceptor jonów wodorotlenkowych, a zatem zachowuje się jak kwas Lewisa. Jest to oczywiście związane w obecnością wolnego orbitalu  p  na atomie boru. 

Obrazuje to poniższa reakcja (zapisana na dwa sposoby, z wykorzystaniem jonów H+ oraz H3O+). Bardzo ważne − musisz to wiedzieć! Zwróć także uwagę, że podczas tej reakcji zmienia się hybrydyzacji atomu boru z  sp2  na  sp3

H3BO3  +  2H2O  ⇄  B(OH)4  +  H3O+                      H3BO3  +  H2O  ⇄  B(OH)4  +  H+


[1] To jest pytanie, które zawsze mnie męczyło podczas nauki. Przecież gdyby wziąć kwas fosforowy (V), to można by pomyśleć, że potrzebujemy jednego jonu wodorowego (bo to kwas), czyli H+ , fosforu (V) czyli P5+ oraz trzech anionów 3O2ー , żeby to zneutralizować (żeby ładunek całej cząsteczki był zerowy), a więc otrzymalibyśmy cząsteczkę HPO3 , zamiast H3PO4. I cóż… nie przychodzę tutaj z dobrymi wieściami. Taki kwas też po prostu jest! Niestety, ale w kwestii kwasów beztlenowych musisz zapoznać się z tymi maturalnymi klasykami, znać ich wzory. To niezwykle ważne – powiedziałbym, że kwasy tlenowe to najważniejsze związki nieorganiczne, które musisz znać. Bez nich nie ogarniesz np. soli.

[2] Reakcję tą pokazuję tylko i wyłącznie dla ,,treningu” oraz żeby Ci pokazać, że rozrysowanie wzorów elektronowych jest pomocne przy analizie nieznanej reakcji. Sam zobacz :

2NaHSO3  ⟶  Na2S2O5  +   H2O     [kondensacja]       2HSO3  ⟶  S2O52ー  +   H2O

Jak zrozumieć reakcję kondensacji ?

Leave a Reply

%d bloggers like this: