Sie bilden eine äußerst wichtige Gruppe von chemischen Verbindungen mit spezifischen Eigenschaften. Sie zeichnen sich durch das Vorhandensein mindestens eines Sauerstoffatoms in der Gruppierung des Säurerestes aus. Sie sind wichtige Rohmaterialien für viele industrielle Prozesse. Sie werden in den chemischen, pharmazeutischen, Papier- und anderen Industriezweigen verwendet.
Aufbau und Bildung von Oxosäuren
Die Oxosäuren bestehen aus drei Hauptelementen: einem Sauerstoffatom, einem säurebildenden Element und mindestens einem an den Sauerstoff gebundenen Wasserstoffatom. Das Zentralatom ist in der Regel ein Nichtmetall, wie z.B. Schwefel, Stickstoff oder Phosphor. Dies sind die so genannten säurebildenden Elemente. Das können auch einige Metalle in höheren Oxidationsstufen sein, z.B. Mangan (VII). Die Nomenklatur der Oxosäuren wird von dem Namen des säurebildenden Elements gebildet, wobei dessen Wert in Klammern angegeben und die Endung – säure – hinzugefügt wird – Phosphorsäure, Schwefel(VI)-säure, Salpetersäure(V) usw. Ist ein Element in mehr als einer Oxosäure enthalten, muss seine Wertigkeit unbedingt im Namen der Säure angegeben werden.
Die Herstellung von Oxosäuren basiert hauptsächlich auf der Reaktion von Säureanhydriden mit Wasser. Die Anhydride sind Oxide der entsprechenden Nichtmetalle (oder ausgewählter Metalle). Die Gewinnung von Oxosäuren kann in diesem Fall in zwei Schritten erfolgen. In der ersten Stufe wird das radioaktive Element in Sauerstoff verbrannt. Ein Beispiel für eine solche Reaktion ist die Verbrennung von Phosphor (das vieratomige Moleküle bildet). Es entsteht Phosphor(V)-oxid in Form von weißen Dämpfen. Das entstandene Säureanhydrid wird dann in Wasser gelöst, wobei Phosphor(V)-säure entsteht. Wird dem System Methylorange (Indikator) zugesetzt, färbt sich die Lösung rot – die entstandene Säure hat den pH-Wert der Lösung gesenkt. Eine weitere Möglichkeit, Oxosäuren zu erhalten, sind (Doppel-)Austauschreaktionen. Indem man mit einer starken Säure auf ein bestimmtes Salz einwirkt, kann man eine schwächere Säure aus ihrem Salz verdrängen.
Oxosäuren – Merkmale
Oxosäuren gehören zu den so genannten Elektrolyten, d.h. zu den Verbindungen mit der Fähigkeit, Elektrizität zu leiten. Je nach Säure werden sie in Wasser unterschiedlich stark elektrolytisch dissoziiert. In wässrigen Lösungen dissoziieren die Oxosäuren in positive Ionen (Kationen) und negative Ionen (Anionen). Sie haben die Fähigkeit, elektrische Ladungen zu übertragen. Säuren werden unterteilt in:
- Starke Säuren – in wässrigen Lösungen dissoziieren sie vollständig in Wasserstoffkationen und Anionen des Säurerestes. Zu den starken Oxosäuren gehören Schwefel(VI)-säure, Salpetersäure(V) und Chlor(VII)-säure.
- Schwache Säuren – sie unterliegen einer unvollständigen elektrolytischen Dissoziation. In wässrigen Lösungen bleiben die meisten ihrer Moleküle undissoziiert. Säuren von Elementen auf niedrigeren Oxidationsstufen haben im Allgemeinen eine geringe Stärke, z.B. Schwefel(IV)-säure oder Salpetersäure(III). Die schwächste Oxosäure ist die Kohlensäure – H2CO Sie ist sehr unbeständig. Es wird oft durch stärkere Säuren aus der Lösung verdrängt.
Die Stärke der Oxosäuren ist umso größer, je höher die Elektronegativität des Zentralatoms ist, das den Säurerest der betreffenden Säure bildet. Bei Säuren desselben Elements nimmt die Stärke mit der Anzahl der Sauerstoffatome im Molekül zu.
Darüber hinaus kann die Stärke einer Oxosäure durch ihre Fähigkeit zur Dissoziation von Wasserstoffionen (Anzahl der Dissoziationsstufen) bestimmt werden. Einprotonige Säuren (mit einem Wasserstoffkation) dissoziieren in einem einzelnen Schritt, während mehrprotonige Säuren (mit mehr als einem Wasserstoff im Molekül) in mehreren Schritten dissoziieren. Für jede kann eine Gleichgewichtsgleichung aufgeschrieben werden. Die erste Etappe verläuft ist immer am schnellsten. Die dissoziierten Wasserstoffatome verbinden sich mit den Wassermolekülen und bilden Oxonium-Ionen (H3O+). Diese verursachen in wässrigen sauren Lösungen eine saure Reaktion.
Oxosäuren reagieren mit basischen Oxiden und Hydroxiden. In Folge dieser Reaktionen entstehen entsprechende Salze und Wasser. Wichtig ist, dass die Oxosäuren nicht mit Oxiden saurer Natur reagieren. Sie reagieren mit chemisch aktiven Metallen (z.B. Alkalimetallen oder Erdalkalimetallen). Diese Metalle verdrängen den Wasserstoff aus den Säuremolekülen und bilden Salze. In gleicher Weise reagieren Edelmetalle (chemisch inaktive Metalle) nicht mit Oxosäuren. Sie verdrängen keine Wasserstoffatome aus ihnen. Sie reagieren nur mit oxidierenden Säuren, d.h. einer konzentrierten Lösung von Schwefel(VI)-säure oder Salpetersäure (V).
Eigenschaften und Anwendungsbereiche von ausgewählten Oxosäuren
Sie ist eine starke Säure mit einer öligen Konsistenz. Ihre Dichte ist mit 1,84 g/cm3 fast doppelt so hoch wie die von Wasser. Es lässt sich in fast jedem Verhältnis mit ihm mischen, wobei eine große Menge an Wärme freigesetzt wird. Die Säure ist stark hygroskopisch. Im Handel ist eine Lösung von 98%iger Schwefel(VI)-säure erhältlich. Oleum ist eine Lösung von Schwefel(VI)-oxid – SO3 – in Schwefel(VI)-säure.
H2SO4 ist ein wichtiges Zwischenprodukt in der Industrie. Es wird zur Herstellung von Düngemitteln (z.B. Superphosphat), anderen Säuren (z.B. Ameisensäure), Waschmitteln, Sprengstoffen, Pflanzenschutzmitteln, Gummi, Papier und anderen Produkten verwendet.
Salpetersäure(V) ist eine farblose Flüssigkeit, die sich gut in Wasser auflöst. Konzentrierte Lösungen (etwa 68 %) haben stark oxidierende Eigenschaften. HNO3 verursacht eine charakteristische Vergilbung von Proteinen (Xanthoprotein-Reaktion). Konzentrierte Salpetersäure(V) qualmt. Dies ist auf seine Zersetzung unter Freisetzung von braunem Stickstoff(V)-monoxid zurückzuführen.
Salpetersäure(V) wird vor allem zur Herstellung anderer Chemikalien (ausgewählte Salze, Ester oder Nitroverbindungen) verwendet. Eine wichtige Quelle für den Bedarf an HNO3 ist das Verfahren zur Herstellung von Ammoniumnitrat. Diese Säure wird auch bei der Herstellung von Sprengstoffen, Farbstoffen, in der pharmazeutischen Industrie oder zur Reinigung von Metalloberflächen verwendet.
In Laboratorien wird meist eine etwa 85%ige wässrige Lösung dieser Säure (eine ölige Flüssigkeit) verwendet. Es ist auch 100%iges H3PO4 in Form von weißen Kristallen (bei Raumtemperatur) erhältlich. Orthophosphor(V)-säure ist stark hygroskopisch. Es bildet drei Reihen von Salzen: Orthophosphate(V), Dihydrogenphosphate(V) und Hydrogenorthophosphate(V).
Die Bedeutung von Orthophosphor(V)-säure in der Industrie ist groß. Erhebliche Mengen werden in chemischen und pharmazeutischen Prozessen verwendet, z.B. bei der Herstellung von Mineraldüngern, Haushaltschemikalien, Futtermittelzusatzstoffen oder Arzneimitteln. Darüber hinaus ist es eines der Substrate, die bei der Herstellung von Entkalkungs- und Entrostungsmitteln verwendet werden.