Stanowią niezwykle istotną grupę związków chemicznych o specyficznych właściwościach. Charakteryzują się obecnością przynajmniej jednego atomu tlenu w ugrupowaniu reszty kwasowej. Są ważnym surowcem w wielu procesach przemysłowych. Znajdują zastosowanie w przemyśle chemicznym, farmaceutycznym, papierniczym i innych.
Budowa i otrzymywanie kwasów tlenowych
Kwasy tlenowe składają się z trzech głównych elementów: atomu tlenu, pierwiastka kwasotwórczego oraz przynajmniej jednego atomu wodoru połączonego z tlenem. Atomem centralnym jest zazwyczaj niemetal, np. siarka, azot czy fosfor. Są to tak zwane pierwiastki kwasotwórcze. Mogą nimi być również niektóre metale na wyższych stopniach utlenienia, np. mangan (VII). Nazewnictwo kwasów tlenowych tworzy się od nazwy pierwiastka kwasotwórczego, podając w nawiasie jego wartościowość oraz dodając końcówkę – owy – kwas fosforowy, kwas siarkowy (VI), kwas azotowy (V) itp. Jeżeli dany pierwiastek występuje w kilku kwasach tlenowych, to należy bezwzględnie podać jego wartościowość w nazwie kwasu.
Otrzymywanie kwasów tlenowych opiera się głównie na reakcjach bezwodników kwasowych z wodą. Bezwodnikami są tlenki odpowiednich niemetali (lub wybranych metali). Otrzymywanie kwasów tlenowych może w tym przypadku odbywać się dwustopniowo. W pierwszym kroku, pierwiastek promieniotwórczy zostaje spalony w tlenie. Przykładem takiej reakcji jest spalanie fosforu (tworzącego czteroatomowe cząsteczki). Powstaje tlenek fosforu (V) w postaci białych dymów. Otrzymany bezwodnik kwasowy jest następnie rozpuszczany w wodzie i powstaje kwas fosforowy (V). Jeżeli do układu dodany zostanie oranż metylowy (wskaźnik), roztwór zabarwi się na czerwono – otrzymany kwas obniżył pH roztworu. Innym sposobem otrzymywania kwasów tlenowych są reakcje wymiany (podwójnej). Działając mocnym kwasem na określoną sól, możliwe staje się wyparcie słabszego kwasu z jego soli.
Kwasy tlenowe – charakterystyka
Kwasy tlenowe są zaliczane do tzw. elektrolitów, czyli związków mających zdolność przewodzenia prądu elektrycznego. W zależności od kwasu, w różnym stopniu ulegają dysocjacji elektrolitycznej w wodzie. Kwasy tlenowe w roztworach wodnych rozpadają się na jony dodatnie (kationy) i jony ujemne (aniony). Mają one zdolność do przenoszenia ładunków elektrycznych. Kwasy dzieli się na:
- mocne – w roztworach wodnych ulegają całkowitej dysocjacji na kationy wodoru i aniony reszty kwasowej. Do mocnych kwasów tlenowych zalicza się kwas siarkowy (VI), azotowy (V), chlorowy (VII).
- słabe – ulegają nie całkowitej dysocjacji elektrolitycznej. W roztworach wodnych większość ich cząsteczek pozostaje niezdysocjowana. Kwasy pierwiastków na niższych stopniach utlenienia z reguły mają małą moc, np. kwas siarkowy (IV) lub azotowy (III). Najsłabszym kwasem tlenowym jest kwas węglowy – H2CO3. Jest bardzo nietrwały. Często zostaje wyparty z roztworów przez mocniejsze kwasy.
Moc kwasów tlenowych jest tym większa, im większa jest elektroujemność atomu centralnego tworzącego resztę kwasową danego kwasu. W przypadku kwasów tego samego pierwiastka, jego moc wzrasta w miarę zwiększania ilości atomów tlenu w cząsteczce.
Ponadto moc kwasu tlenowego można określić w oparciu o jego zdolność do odszczepiania jonów wodorowych (ilości stopni dysocjacji). Kwasy jednoprotonowe (posiadające jeden kation wodoru) dysocjują jednostopniowo, natomiast wieloprotonowe (o więcej niż jednym wodorze w cząsteczce) ulegają kilkuetapowej dysocjacji. Dla każdego z nich można zapisać równanie równowagi. Pierwszy etap przebiega zawsze najszybciej. Zdysocjowane atomy wodoru łącząc się z cząsteczkami wody, tworzą jony oksoniowe (H3O+). Powodują one kwasowy odczyn roztworów wodnych kwasów.
Kwasy tlenowe reagują z tlenkami zasadowymi oraz wodorotlenkami. W efekcie tych reakcji powstają odpowiednie sole i woda. Co ważne, kwasy tlenowe nie wchodzą w reakcję z tlenkami o charakterze kwasowym. Reagują z metalami aktywnymi chemicznie (np. litowcami czy berylowcami). Metale te wypierają wodór z cząsteczek kwasów i tworzą sole. W ten sam sposób z kwasami tlenowymi nie reagują metale szlachetne (mało aktywne chemicznie). Nie wypierają z nich atomów wodoru. Reagują one jedynie z kwasami utleniającymi, czyli stężonym roztworem kwasu siarkowego (VI) lub kwasu azotowego (V).
Właściwości i zastosowanie wybranych kwasów tlenowych
Jest mocnym kwasem o oleistej konsystencji. Jego gęstość niemal dwukrotnie przewyższa gęstość wody i wynosi 1,84 g/cm3. Miesza się z nią niemal w każdym stosunku, z wydzieleniem dużej ilości ciepła. Kwas ten jest silnie higroskopijny. W handlu dostępny jest roztwór kwasu siarkowego (VI) o stężeniu 98%. Oleum to roztwór tlenku siarki (VI) – SO3 – w kwasie siarkowym (VI).
H2SO4 to kluczowy półprodukt w przemyśle. Służy do produkcji nawozów (np. superfosfatu), innych kwasów (np. mrówkowego), środków piorących, materiałów wybuchowych, środków ochrony roślin, gumy, papieru i innych.
Kwas azotowy (V) jest bezbarwną cieczą, która dobrze rozpuszcza się w wodzie. Stężone roztwory (około 68%) mają silne właściwości utleniające. HNO3 powoduje charakterystyczne żółknięcie białka (reakcja ksantoproteinowa). Stężony kwas azotowy (V) dymi. Jest to skutek jego rozkładu z wydzieleniem brunatnego tlenku azotu (V).
Główne zastosowania kwasu azotowego (V) obejmują przede wszystkim otrzymywanie innych substancji chemicznych (wybranych soli, estrów lub związków nitrowych). Istotnym źródłem zapotrzebowania na HNO3 jest proces produkcyjny saletry amonowej. Kwas ten, stosowany jest także do wytwarzania materiałów wybuchowych, barwników, w przemyśle farmaceutycznym lub do czyszczenia powierzchni metali.
W laboratoriach najczęściej stosowany jest około 85% roztwór wodny tego kwasu (oleista ciecz). Dostępny jest również 100% H3PO4 – ma postać białych kryształków (w temperaturze pokojowej). Kwas ortofosforowy (V) wykazuje silną higroskopijność. Tworzy trzy szeregi soli: ortofosforany (V), diwodorortofosforany (V) oraz wodoroortofosforany (V).
Znaczenie kwasu ortofosforowego (V) w przemyśle jest duże. Jego znaczne ilości są zużywane w procesach chemicznych oraz farmaceutycznych, np. do wytwarzania nawozów mineralnych, produktów chemii gospodarczej, dodatków do pasz lub preparatów leczniczych. Ponadto jest jednym z substratów służących do produkcji preparatów usuwających kamień kotłowy i odrdzewiających.