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!

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	III	V	IV	VI	IV	V
Wartościowość reszty kwasowej	I	I	II	II	II	III
Stopień utlenienia atomu centralnego	+III	+V	+IV	+VI	+IV	+V

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.

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	I	III	V	III	V	III
Wartościowość reszty kwasowej	I	I	I	III	III	III
Stopień utlenienia atomu centralnego	+I	+III	+V	+III	+V	+III

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.

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 :

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

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^ー  +  2NO₂^ー +  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^ー  zachowuje się już jako słaby kwas i jego dysocjacja jest odwracalna (dlatego zapisujemy ze strzałką  ⇄ ).

H₂SO₄  ⟶  HSO₄^ー  +  H⁺

HSO₄^ー   ⇄   SO₄^2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  +  2H₂O 

S  +  2H₂SO₄  ⟶  3SO₂  +  2H₂O 

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).

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^ー  +  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^ー. 

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

Dysocjacja dla kwasu fosforowego (V) wygląda następująco :

H₃PO₄    ⇄ H⁺ +  H₂PO₄^ー 

H₂PO₄^ー  ⇄ H⁺ +   HPO₄^2ー 

HPO₄^2ー   ⇄ H⁺ +   PO₄^3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^ー  +  H₃O⁺                      H₃BO₃  +  H₂O  ⇄  B(OH)₄^ー  +  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 3O^2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^ー  ⟶  S₂O₅^2ー  +   H₂O