Kwasy - To jest chemia 1 (ZR)

1.Kwasy (według Arrheniusa)

Substancje, których cząsteczki w wodnych roztworach dysocjują na kationy wodoru $\ce{H+}$ i aniony reszty kwasowej. Cząsteczki kwasów są zbudowane z atomów wodoru oraz reszty kwasowej.

2.Wzór ogólny kwasów $\ce{H_{m}R}$

R - symbol reszty kwasowej, m - wartościowość reszty kwasowej, równa liczbie atomów wodoru w cząsteczce kwasu (wodór jest jednowartościowy). Np. $\ce{H3PO4}$ ma trzy atomy wodoru, więc jego reszta kwasowa jest trójwartościowa (anion $\ce{PO4^3-}$).

3.Oranż metylowy w roztworach kwasów

Oranż metylowy to pomarańczowa substancja stała. Jego roztwór w wodzie ma barwę żółtą, a w roztworach kwasów barwi się na czerwono. Czerwona barwa tego wskaźnika świadczy o obecności kwasu (odczynie kwasowym).

4.Podział kwasów ze względu na skład reszty kwasowej

Kwasy beztlenowe - resztę kwasową stanowią atomy niemetalu lub kilku niemetali, bez atomów tlenu, np. $\ce{HCl}$, $\ce{H2S}$, $\ce{HCN}$. Kwasy tlenowe (oksokwasy) - resztę kwasową stanowi grupa atomów zawierająca tlen i co najmniej jeden inny pierwiastek, np. $\ce{HNO3}$, $\ce{H2SO4}$, $\ce{H2SO3}$.

5.Pierwiastki tworzące kwasy beztlenowe

Kwasy beztlenowe to m.in. wodne roztwory wodorków niektórych niemetali z grup 16. i 17. układu okresowego, np. kwas siarkowodorowy $\ce{H2S}$ i kwas chlorowodorowy $\ce{HCl}$. Kwasem beztlenowym jest też wodny roztwór cyjanowodoru - kwas cyjanowodorowy $\ce{HCN}$ (kwas pruski).

6.Budowa cząsteczki kwasu tlenowego

Cząsteczka zawiera atomy tlenu, atom innego pierwiastka (atom centralny, czyli pierwiastek kwasotwórczy) oraz co najmniej jeden atom wodoru związany z atomem tlenu. Atomami centralnymi są zwykle niemetale, np. siarka i fosfor, ale kwasy tlenowe tworzą też niektóre metale, np. mangan.

7.Nazewnictwo kwasów beztlenowych

Do słowa „kwas” dodaje się nazwę pierwiastka kwasotwórczego i człon „-wodorowy”, np. $\ce{HBr}$ - kwas bromowodorowy, $\ce{HI}$ - kwas jodowodorowy, $\ce{HF}$ - kwas fluorowodorowy, $\ce{H2S}$ - kwas siarkowodorowy.

8.Nazewnictwo kwasów tlenowych

Do słowa „kwas” dodaje się nazwę pierwiastka kwasotwórczego z końcówką „-owy”. Gdy pierwiastek tworzy kilka kwasów tlenowych, w nawiasie podaje się jego wartościowość: $\ce{HNO2}$ - kwas azotowy(III), $\ce{HNO3}$ - kwas azotowy(V), $\ce{H2SO3}$ - kwas siarkowy(IV), $\ce{H2SO4}$ - kwas siarkowy(VI), $\ce{H3PO4}$ - kwas fosforowy(V).

9.Otrzymywanie kwasu chlorowodorowego (doświadczenie)

Chlorowodór wstrząśnięty z wodą zawierającą oranż metylowy zmienia barwę roztworu z żółtej na czerwoną, bo rozpuszcza się w wodzie i tworzy kwas: $\ce{HCl(g) ->[H2O] HCl(aq)}$. Symbol (g) oznacza gaz, a (aq) - substancję rozpuszczoną w wodzie. Doświadczenie wykonuje się pod wyciągiem.

10.Otrzymywanie kwasu siarkowodorowego (doświadczenie)

Siarczek żelaza(II) reaguje z kwasem chlorowodorowym i wydziela się siarkowodór: $\ce{FeS + 2HCl -> FeCl2 + H2S ^}$. Gaz wprowadzony do wody z oranżem metylowym zmienia jej barwę z żółtej na czerwoną: $\ce{H2S(g) ->[H2O] H2S(aq)}$. Pracuje się pod wyciągiem, bo siarkowodór jest trujący.

11.Metody otrzymywania kwasów beztlenowych

1) Synteza wodorku z pierwiastków, np. $\ce{H2 + Cl2 -> 2HCl}$. 2) Rozpuszczenie gazowego wodorku niemetalu w wodzie: $\ce{HCl(g) ->[H2O] HCl(aq)}$. 3) Reakcja kwasu z niektórymi solami - mocniejszy kwas wypiera słabszy z jego soli, np. $\ce{H2SO4 + 2NaF -> Na2SO4 + 2HF ^}$, $\ce{2HCl + FeS -> FeCl2 + H2S ^}$.

12.Otrzymywanie kwasu siarkowego(IV) (doświadczenie)

Siarka spala się niebieskim płomieniem, a powstający gaz o ostrym zapachu to tlenek siarki(IV): $\ce{S + O2 -> SO2}$. Po wstrząśnięciu z wodą zawierającą oranż metylowy barwa roztworu zmienia się z żółtej na czerwoną: $\ce{SO2 + H2O -> H2SO3}$. $\ce{SO2}$ to tlenek kwasowy kwasu siarkowego(IV).

13.Otrzymywanie kwasu fosforowego(V) (doświadczenie)

Fosfor czerwony spala się żółtym płomieniem i powstaje biały dym - tlenek fosforu(V): $\ce{4P + 5O2 -> P4O10}$. Tlenek reaguje z wodą: $\ce{P4O10 + 6H2O -> 4H3PO4}$, a oranż metylowy zmienia barwę z żółtej na czerwoną. $\ce{P2O5}$ to tylko wzór elementarny tego tlenku - jego cząsteczki mają skład $\ce{P4O10}$.

14.Metody otrzymywania kwasów tlenowych

1) Reakcja tlenku niemetalu (bezwodnika kwasowego) z wodą, np. $\ce{SO3 + H2O -> H2SO4}$, $\ce{N2O5 + H2O -> 2HNO3}$. 2) Reakcja mocnego kwasu z solą kwasu słabszego (wymiana podwójna), np. $\ce{Na2SiO3 + H2SO4 -> H2SiO3 v + Na2SO4}$ lub $\ce{CaCO3 + H2SO4 -> CaSO4 + H2O + CO2 ^}$ - nietrwały kwas węglowy rozkłada się na wodę i tlenek węgla(IV).

15.Reakcja tlenku azotu(IV) z wodą

Tlenek azotu(IV) rozpuszczony w wodzie tworzy mieszaninę dwóch kwasów - kwasu azotowego(III) i kwasu azotowego(V): $\ce{2NO2 + H2O -> HNO2 + HNO3}$.

16.Dysocjacja elektrolityczna (jonowa)

Rozpad kwasów, wodorotlenków i soli na jony zachodzący w wyniku ich oddziaływania z cząsteczkami wody lub pod wpływem temperatury. Kwasy w roztworach wodnych ulegają dysocjacji w różnym stopniu.

17.Jon oksoniowy $\ce{H3O+}$

Jon, który powstaje w wyniku przyłączenia cząsteczki wody do kationu wodoru: $\ce{H+ + H2O -> H3O+}$. Kationy wodoru z cząsteczek kwasu natychmiast łączą się z wodą, więc w roztworze są jony oksoniowe (w uproszczeniu $\ce{H+}$). Decydują one o kwasowym odczynie roztworu i barwie wskaźników.

18.Dysocjacja kwasów jednoprotonowych

Kwasy jednowodorowe (jednoprotonowe), np. $\ce{HCl}$, $\ce{HNO3}$, dysocjują jednostopniowo: $\ce{HNO3 + H2O -> H3O+ + NO3-}$ - powstają jon oksoniowy i anion azotanowy(V).

19.Dysocjacja stopniowa kwasów wieloprotonowych

Kwasy wielowodorowe (wieloprotonowe) odszczepiają kationy wodoru po kolei, np. $\ce{H2SO4}$: 1) $\ce{H2SO4 + H2O -> H3O+ + HSO4-}$, 2) $\ce{HSO4- + H2O <--> H3O+ + SO4^2-}$; zapis sumaryczny: $\ce{H2SO4 + 2H2O -> 2H3O+ + SO4^2-}$. Dysocjacja najłatwiej zachodzi w 1. etapie, a w roztworze są jony $\ce{H3O+}$, $\ce{HSO4-}$ i $\ce{SO4^2-}$.

20.Zapis strzałek w równaniach dysocjacji

Mocne elektrolity - jedna strzałka w prawo ($\ce{->}$): proces przebiega praktycznie nieodwracalnie i dysocjuje prawie każda cząsteczka. Słabe elektrolity - dwie strzałki skierowane przeciwnie ($\ce{<-->}$): proces jest odwracalny.

21.Moc kwasu

Zdolność kwasu do odszczepiania kationów wodoru. Mocne kwasy w roztworze wodnym ulegają całkowitej dysocjacji (występują głównie w postaci jonów), a słabe dysocjują w niewielkim stopniu - większość ich cząsteczek pozostaje niezdysocjowana.

22.Mocne i słabe kwasy - przykłady

Mocne: beztlenowe $\ce{HCl}$, $\ce{HBr}$, $\ce{HI}$ oraz tlenowe $\ce{HNO3}$, $\ce{H2SO4}$, $\ce{HClO4}$. Słabe: $\ce{H2S}$, $\ce{HF}$, $\ce{HNO2}$, kwas siarkowy(IV) ($\ce{H2O + SO2}$), bardzo nietrwały kwas węglowy ($\ce{H2O + CO2}$) oraz wiele kwasów organicznych.

23.Wspólne właściwości kwasów

W cząsteczkach kwasów występują wiązania kowalencyjne spolaryzowane. Większość kwasów w temperaturze pokojowej to bezbarwne ciecze lub roztwory; dobrze rozpuszczają się w wodzie, a stężone roztwory są żrące. Roztwory kwasów przewodzą prąd, bo zawierają jony przenoszące ładunki - kwasy są elektrolitami. Niektóre kwasy łatwo się rozkładają, a niektóre mają właściwości utleniające.

24.Kwas chlorowodorowy (solny) - właściwości

Bezbarwna ciecz - wodny roztwór chlorowodoru; stężony roztwór zawiera ok. 37% $\ce{HCl}$. Jest kwasem mocnym i nieutleniającym. Zmieszany ze stężonym roztworem $\ce{HNO3}$ w stosunku objętościowym 3 : 1 tworzy wodę królewską.

25.Kwas siarkowodorowy - właściwości

Bezbarwna ciecz wydzielająca siarkowodór - gaz o zapachu zgniłych jaj. Siarkowodór to silna trucizna: wiąże jony żelaza(II) z krwi w nierozpuszczalny siarczek, przez co niszczy hemoglobinę. Kwas siarkowodorowy jest kwasem słabym.

26.Kwas azotowy(V) - właściwości

Stężony roztwór zawiera ok. 69% $\ce{HNO3}$ i ma większą gęstość niż woda. Kwas ma silne właściwości utleniające (piktogram: płomień nad okręgiem), a białka żółkną pod jego wpływem (reakcja ksantoproteinowa). Ze stężonym $\ce{HCl}$ w stosunku objętościowym 1 : 3 tworzy wodę królewską.

27.Kwas siarkowy(VI) - właściwości

Bezbarwna ciecz; stężony roztwór zawiera ok. 98% $\ce{H2SO4}$ i ma gęstość znacznie większą od gęstości wody. Stężony kwas zwęgla substancje pochodzenia naturalnego i ma silne właściwości utleniające. Podczas rozcieńczania stężonych kwasów zawsze wlewa się kwas do wody.

28.Kwas fosforowy(V) - właściwości

Czysty (100-procentowy) kwas fosforowy(V) w temperaturze pokojowej jest krystaliczną substancją stałą - tworzy białe kryształy. Dobrze rozpuszcza się w wodzie; stężony roztwór zawiera ok. 85% $\ce{H3PO4}$.

29.Kwasy nietrwałe

Kwasy, które w roztworach wodnych bardzo szybko ulegają rozkładowi, więc nie można otrzymać ich stężonych roztworów, np. kwas siarkowy(IV) i kwas węglowy. Ich wzory zapisuje się jako $\ce{H2O + SO2}$ i $\ce{H2O + CO2}$. Kwas węglowy występuje np. w wodzie gazowanej, a kwas siarkowy(IV) działa bakteriobójczo i wybielająco.

30.Reakcja kwasów z metalami aktywnymi

Metal aktywny + kwas → sól + wodór. Metale aktywne chemicznie, np. litowce i berylowce, wypierają wodór z kwasów: $\ce{2Na + 2HCl -> 2NaCl + H2 ^}$, $\ce{3Mg + 2H3PO4 -> Mg3(PO4)2 + 3H2 ^}$.

31.Reakcje kwasów z tlenkami zasadowymi i wodorotlenkami

Kwas + tlenek zasadowy → sól + woda, np. $\ce{2HBr + CaO -> CaBr2 + H2O}$. Kwas + wodorotlenek → sól + woda, np. $\ce{2HI + Ba(OH)2 -> BaI2 + 2H2O}$. Kwasy reagują też z tlenkami amfoterycznymi - również powstają sól i woda.

32.Wypieranie słabszego kwasu z jego soli

Mocniejszy kwas wypiera słabszy kwas z jego soli: sól słabszego kwasu + mocniejszy kwas → sól mocniejszego kwasu + słabszy kwas, np. $\ce{Na2S + 2HCl -> 2NaCl + H2S ^}$. Tak otrzymuje się m.in. siarkowodór, fluorowodór i kwas trioksokrzemowy $\ce{H2SiO3}$.

33.Kwasy nieutleniające i utleniające

Kwasy nieutleniające, np. $\ce{HCl}$, $\ce{HBr}$, $\ce{HI}$, rozcieńczony $\ce{H2SO4}$, $\ce{CH3COOH}$, reagują tylko z metalami nieszlachetnymi. Kwasy utleniające, np. $\ce{HNO3}$, stężony $\ce{H2SO4}$, $\ce{HClO4}$, reagują z metalami nieszlachetnymi i niektórymi szlachetnymi (np. z miedzią, rtęcią) - wtedy nie powstaje wodór, tylko odpowiedni tlenek kwasowy.

34.Szereg aktywności metali a reakcje z kwasami

Metale od najbardziej do najmniej aktywnego: $\ce{Li, K, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Fe, Sn, Pb, H, Cu, Ag, Hg, Pt, Au}$. Metale nieszlachetne (przed wodorem) wypierają wodór z kwasów nieutleniających. Spośród metali szlachetnych $\ce{Cu}$, $\ce{Ag}$ i $\ce{Hg}$ reagują z kwasami utleniającymi, a $\ce{Pt}$ i $\ce{Au}$ roztwarzają się w wodzie królewskiej.

35.Reakcja miedzi ze stężonym kwasem azotowym(V)

Miedź nie reaguje z kwasem chlorowodorowym, ale reaguje ze stężonym $\ce{HNO3}$: wydziela się czerwonobrunatny gaz, a roztwór staje się zielononiebieski. $\ce{Cu + 4HNO3 -> Cu(NO3)2 + 2NO2 ^ + 2H2O}$ - zamiast wodoru powstaje tlenek azotu(IV).

36.Woda królewska

Mieszanina stężonego kwasu chlorowodorowego i stężonego roztworu kwasu azotowego(V) w stosunku objętościowym 3 : 1. Roztwarza nawet złoto i platynę, odporne na działanie innych kwasów: $\ce{Au + 4HCl + HNO3 -> HAuCl4 + NO ^ + 2H2O}$.

37.Zastosowania kwasów

$\ce{H2SO4}$ - oczyszczanie karoserii przed malowaniem, elektrolit w akumulatorach ołowiowych. $\ce{H3PO4}$ - dodatek do galaretek i napojów typu cola, środki do czyszczenia felg. $\ce{HCl}$ - produkcja m.in. sztucznego miodu, cukru, twarogów i barwników do włosów. $\ce{H2S}$ - składnik wód leczniczych; $\ce{CO2}$ rozpuszczony w wodzie - kąpiele kwasowęglowe.

38.Podział kwasów - kryteria

Ze względu na: skład reszty kwasowej - beztlenowe ($\ce{HCl}$) i tlenowe ($\ce{HNO3}$); liczbę atomów wodoru - jednoprotonowe ($\ce{HBr}$) i wieloprotonowe ($\ce{H3PO4}$); stopień dysocjacji - mocne ($\ce{H2SO4}$) i słabe ($\ce{H2S}$); właściwości utleniające - utleniające ($\ce{HNO3}$) i nieutleniające ($\ce{HCl}$); trwałość - trwałe ($\ce{H3PO4}$) i nietrwałe ($\ce{H2SO3}$).