Właściwości kwasów
Budowa kwasów
Kwasy składają się z atomów wodoru i reszty kwasowej. Ich wzór ogólny to HnR, gdzie H oznacza atom wodoru, n to liczbę atomów wodoru i wartościowość R, a R to reszta kwasowa. Większość niemetali tworzy kwasy, z wyjątkiem węgla, który tworzy związki organiczne z wodorem, czyli węglowodory. Struktura kwasów zależy od ich składu, ponieważ występują różne rodzaje wiązań.
Związki beztlenowe
Sole beztlenowe, czyli związki zbudowane z metalu i niemetalu, można podzielić na związki jonowe i związki kowalencyjne.
Związki jonowe
Charakteryzują się one występowaniem pierwiastków w formie jonów, które wzajemnie się przyciągają. Nie da się wyróżnić pojedynczych cząsteczek, a temperatura topnienia i wrzenia jest wysoka. Przewodzą one prąd w stanie stopionym i w roztworach wodnych. Różnica w elektroujemności między pierwiastkami wynosi około 1,7. Przykłady to fluorek cezu CsF i chlorek sodu NaCl.
Związki kowalencyjne
Występują między nimi wiązania atomowe, a temperatura topnienia i wrzenia jest niska. Mogą tworzyć łańcuchy, warstwy albo struktury przestrzenne. Różnica w elektroujemności między pierwiastkami jest mała. Przykłady to woda H2O i amoniak NH3.
Związki koordynacyjne
Przykładem związków koordynacyjnych jest heksacyjanożelazian(II) potasu K4[Fe(CN)6].
Wiązania metaliczne
Związki mogą również posiadać wiązania metaliczne, charakterystyczne dla metali.
Związki wielkocząsteczkowe
Związki wielkocząsteczkowe mają największą złożoność w budowie.
Podział kwasów z uwagi na resztę kwasową
Kwasy można podzielić na tlenowe i beztlenowe w zależności od rodzaju reszty kwasowej.
Kwasy tlenowe
Do kwasów tlenowych należą kwas siarkowy (IV) H2SO3, kwas siarkowy (VI) H2SO4, kwas fosforowy (V) H3PO4, kwas azotowy (V) HNO3, kwas azotowy (III) HNO2 i kwas węglowy H2CO3.
Kwasy beztlenowe
Kwasy beztlenowe to m.in. kwas bromowodorowy HBr, kwas siarkowodorowy H2S, kwas chlorowodorowy HCl i kwas jodowodorowy HI.
Właściwości fizyczne kwasów
Kwasy posiadają kwaśny smak oraz zazwyczaj ostry zapach, zwłaszcza te o silnym stężeniu.
Właściwości chemiczne kwasów
Kwasy mają wiele właściwości chemicznych, takich jak barwienie wskaźników, reakcja z wodorotlenkami z utworzeniem soli czy rozpuszczanie wielu metali.
Dysocjacja elektrolityczna kwasów
W roztworach wodnych kwasy ulegają dysocjacji elektrolitycznej na jony H+ (kationy wodoru) i Rn- (aniony reszty kwasowej, n – to ilość atomów wodoru). Kwasy można podzielić na jedno- i wieloprotonowe w zależności od liczby atomów wodoru.
pH roztworu
Wartość pH określa kwaśność roztworu, związana z występowaniem kationów wodorowych. Jeśli H+ przeważają nad innymi jonami, mówimy o środowisku kwaśnym, gdy występują jony wodorotlenowe OH– o zasadowym, a jeżeli ich liczba jest taka sama – o odczynie obojętnym. pH wyraża się jako ujemny logarytm stężenia kationów wodorowych [H+]. Wartość pH czystej wody (destylowanej) wynosi 7, czyli jest to odczyn obojętny.
Stężenie [M] a wartość pH
Wartość pH jest miarą kwasowości lub zasadowości roztworu i zależy od stężenia jonów wodorowych [H+] w roztworze. Stężenie jonów H+ w roztworze można wyrazić w skali stężeń molowych [M]. Im większe stężenie jonów H+, tym mniejsza wartość pH.
Skala pH
Wartość pH może przyjmować wartości od 0 do 14. Wartości mniejsze niż 7 oznaczają odczyn kwaśny, wartość równa 7 oznacza odczyn obojętny, a wartości większe niż 7 oznaczają odczyn zasadowy (alkaliczny).
Przykłady wartości pH
Przykładowo, Coca Cola ma pH wynoszące 2, a woda z kiszonych ogórków – 1. Skóra niemowlęcia (sucha) ma odczyn lekko kwaśny (6,5).
Pomiar pH
Najczęstszymi sposobami pomiaru wartości pH są użycie pH-metru lub wskaźników kwasowo-zasadowych.
Wskaźniki kwasowo-zasadowe
Wskaźniki kwasowo-zasadowe to słabe kwasy lub zasady, które zmieniają barwę w zależności od pH. Najczęściej używanymi wskaźnikami są: lakmus, papierek uniwersalny, fenoloftaleina, oranż metylowy, czerwień metylowa, zieleń krezolowa i błękit bromotymolowy.
Stopień dysocjacji
Stopień dysocjacji kwasu jest miarą jego mocy i określa, ile procent cząsteczek kwasu rozpadło się na jony w roztworze. Im większy stopień dysocjacji, tym mocniejszy jest kwas.
Kwas azotowy (V) (HNO3)
Właściwości chemiczne
Kwas azotowy (V) jest kwasem o mocy średniej, który po ogrzaniu kondensuje z utworzeniem ortopolikwasów fosforowych. Tworzy sole oraz estry. Jest żrący i dymiący na powietrzu. Posiada silne właściwości kwasowe i utleniające. Rozpuszcza większość metali z wyjątkiem platyny, złota, irydu, rodu i tantalu. Działa nitrująco lub utleniająco w stosunku do substancji organicznych. Ulega rozkładowi pod wpływem światła, w wyniku czego powstaje tlenek azotu (IV), który nadaje mu żółte zabarwienie.
Własności fizyczne
Kwas azotowy (V) ma bezbarwną ciecz o temperaturze wrzenia 86°C i gęstości 1,50 g/cm3. Tworzy 68-procentowy azeotrop z wodą o temperaturze wrzenia 121,8°C. Ma działanie żrące w stosunku do skóry, powodując gojące się trudno oparzenia.
Otrzymywanie
W przemyśle pospolicie używa się metody kontaktowej do produkcji kwasu azotowego (V). Istotą tego sposobu jest utlenianie amoniaku tlenem z powietrza atmosferycznego z zastosowaniem katalizatora – siatek platynowych: 4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O. Tlenek azotu (II) ulega samorzutnemu utlenieniu do dwutlenku azotu (NO2), a następnie rozpuszczony w wodzie destylowanej tworzy kwas. Inną, obecnie nie używaną metodą, polega na otrzymywaniu kwasu azotowego (V) poprzez przepuszczanie azotu i tlenu przez łuk elektryczny.
Zastosowanie
Kwas azotowy (V) jest powszechnie używany jako utleniacz w różnych gałęziach przemysłu.
Kwas azotowy (III) (HNO2)
Właściwości chemiczne
Kwas azotowy (III) jest słaby i nietrwały, dlatego istnieje tylko w rozcieńczonych roztworach wodnych. Ulega reakcji dysproporcjonowania, tworząc kwas azotowy (V), tlenek azotu (II) i wodę. Wykazuje słabe właściwości utleniające i redukujące. Tworzy sole azotany (III) oraz sole diazoniowe. Może tworzyć estry oraz związki nitrowe.
Zastosowanie
Pochodna kwasu azotowego (III), azotan (III) pentylu, jest stosowana w lecznictwie.
Kwas węglowy (H2CO3)
Właściwości chemiczne
Kwas węglowy (H2CO3) jest słabym kwasem, który łatwo ulega rozkładowi, tworząc dwutlenek węgla (CO2) i wodę. Tworzy sole obojętne i wodorosole.
Otrzymywanie
Kwas węglowy (H2CO3) można otrzymać poprzez rozpuszczenie dwutlenku węgla (CO2) w wodzie.
Kwas chlorowodorowy (HCl) (kwas solny)
Właściwości fizyczne
Kwas chlorowodorowy (HCl) jest bezbarwną cieczą o duszącej woń i dymiąca na powietrzu. Tworzy azeotrop przy stężeniu 20,24%, który wrze w temperaturze 110°C.
Właściwości chemiczne
Kwas chlorowodorowy (HCl) jest bardzo mocnym kwasem o reaktywnych właściwościach chemicznych. Rozpuszcza większość metali, tworząc sole – chlorki.
Otrzymywanie
Kwas chlorowodorowy (HCl) można otrzymać poprzez absorpcję chlorowodoru w wodzie za pomocą urządzeń kamionkowych (turyle) lub tantalowych.
Kwas chlorowodorowy (HCl)
Zastosowanie
Kwas chlorowodorowy (HCl) ma wiele zastosowań, w tym w branży chemicznej, przemyśle włókienniczym, branży spożywczej, produkcji tworzyw sztucznych, metalurgii, analizie i syntezie chemicznej. Może być stosowany jako rozpuszczalnik, samodzielnie lub w wodzie królewskiej. Występuje również w żołądku i uczestniczy w trawieniu.
Siarkowodór (H2S)
Własności fizyczne
Siarkowodór (H2S) to bezbarwny gaz o zapachu zgniłych jaj. Dobrze rozpuszcza się w wodzie. Ma temperaturę wrzenia -60,3oC i działa toksycznie.
Właściwości chemiczne
Siarkowodór (H2S) rozpuszcza się w wodzie, tworząc wodę siarkowodorową w małych stężeniach i kwas siarkowodorowy w dużych stężeniach. Tworzy wielosiarkowodory (H2Sx, x = 2-8) i ma właściwości redukujące.
Występowanie
Siarkowodór (H2S) powstaje wskutek gnicia białek i jest obecny w wyziewach wulkanicznych i wodach mineralnych.
Otrzymywanie
Siarkowodór (H2S) można otrzymać przez reakcję kwasów lub wody z siarczkami.
Zastosowanie
Siarkowodór (H2S) jest używany do produkcji kwasu siarkowego i jako chemiczny odczynnik.
Definicja kwasów i zasad według różnych teorii chemicznych
Teoria S. Arrheniusa (1887r.)
Teoria ta opisuje kwasy jako substancje, które podczas dysocjacji elektrolitycznej uwalniają jony wodoru (H+), natomiast zasady uwalniają anion wodorotlenkowy (OH-). Nazywa się ją teorią jonową.
Teoria rozpuszczalnikowa E.K. Franklina (1914r.)
Ta teoria jest rozwinięciem teorii Arrheniusa i uogólnia pojęcia kwasów i zasad. Według niej kwas to związek, który uwalnia kation w roztworze wodnym, a zasada odczepia anion.
Teoria Brönsted-Lowry’ego (1923r.)
Według tej teorii kwasami są związki, które mają zdolność do oddawania protonów (H+), natomiast zasady to związki, które mają zdolność do przyjmowania protonów. Podczas reakcji kwasu i zasady powstaje nowy kwas i nowa zasada.
Teoria Lewisa (1926r.)
Teoria ta opiera się na koncepcji wolnych par elektronowych. Według niej kwasy to związki, które mają zdolność do przyjmowania wolnych par elektronowych, a zasady to związki, które mają zdolność do oddawania wolnych par elektronowych.
Postulat R.G. Pearsona (1963r.)
Postulat ten mówi o twardości i miękkości kwasów i zasad. Kwasy twarde to związki o małej wartości polaryzowalności, takie jak H+, CO2, Mg2+ itp. Kwasy miękkie to związki o dużej wartości polaryzowalności, takie jak CH3Mg+, Ag+, I2. Zasady twarde to np. OH-, F-, NH3, a zasady miękkie to np. S2-, CN-, CO.
Charakter amfoteryczny
Niektóre substancje, takie jak woda, mają charakter amfoteryczny, co oznacza, że mogą działać jako kwas lub zasada, w zależności od substancji, z którą reagują.
