http://www.ise.polsl.pl/strony/czasowe/powtorka_z_chemii/otrzymywanie%20i%20wlasciwosci%20najwazniejszych%20kwasow.doc

O. Otrzymywanie i właściwości podstawowych kwasów nieorganicznych - azotowego(V), siarkowego(VI) i solnego

Mówiąc o najważniejszych kwasach w programie nauczania chemii ma się na uwadze właśnie te trzy kwasy, dodając najczęściej pozostałe kwasy beztlenowe fluorowców. Z tego również względu, jak już wielokrotnie powiedziano, powinno się znać na pamięć wzory tych kwasów bowiem ułatwia to tworzenia wzorów soli oraz ich nazw.

Kwas siarkowy(VI) - ten podstawowy związek chemiczny określano kiedyś jako „krew przemysłu chemicznego” i istotnie jest stosowany w wielu gałęziach przemysłu, w tym również przetwórstwa ropy naftowej. W technologii tego kwasu wyróżnia się następujące etapy:

1. Otrzymywanie tlenku siarki(IV)

2. Utlenieni tlenku siarki(IV) do tlenku siarki(VI) - bezwodnika kwasowego

3. Otrzymanie kwasu w procesie absorpcji tlenku siarki(VI) w wodzie

Dwutlenek siarki otrzymuje się przez spalenie siarki, ale również jako produkt odpadowy przemysłu hutniczego, kiedy to tlenki metali otrzymuje się w wyniku prażenia rud siarczkowych np. pirytu: 2FeS₂ + 5½O₂
Fe₂O₃ + 4SO₂ otrzymany w ten sposób tlenek siarki(IV) jest zanieczyszczony i dlatego poddaje się go oczyszczeniu na drodze chemicznej oraz fizycznej stosując np. elektrofiltry. Zanieczyszczony strumień gazów z tlenkiem siarki(IV) stanowi poważną przeszkodę w prowadzeniu dalszego procesu technologicznego np. powoduje zatrucie katalizatora. Utlenienie tlenku siarki(IV) przeprowadza się w obecności katalizatora, którym jest tlenek wanadu(V) - V₂O₅. W efekcie reakcji utlenienia powstaje tlenek siarki(VI) - bezwodnik kwasu siarkowego(VI). Reakcja uwodnienia bezwodnika tego kwasu jest niestety procesem silnie egzotermicznym co powoduje parowanie wody w absorberach a tym samym tworzenie się mgły kwasu siarkowego(VI), zjawisko to utrudnia prawidłowy przebieg tego procesu dlatego do absorpcji stosuje się 60% roztwór kwasu, reakcja wtedy biegnie wolniej a to powoduje wydzielenie mniejszej ilości ciepła i minimalizuje niekorzystne zjawisko tworzenia mgły kwasu siarkowego. Tak więc zgodnie z równaniem reakcji otrzymuje się kwas siarkowy(VI)

SO₃ + H₂O → H₂SO₄

W związku z tym, że kwas ten wykazuje bardzo małą lotność można go zatężyć do ponad 90%. Gęstość otrzymanego w ten sposób roztworu jest równa prawie 2 g/cm³. Roztwór stężonego kwasu siarkowego(VI) reaguje w dalszym ciągu z tlenkiem siarki(VI) dając kwas pirosiarkowy H₂S₂O₇:

H₂SO₄ + SO₃ → H₂S₂O₇

W tej postaci idealnie nadaje się do transportu kwasu bez zbędnej wody, który w miejscu przeznaczenia może być odpowiednio rozcieńczony. Do celów technologicznych stosuje również roztwór tlenku siarki(VI) w stężonym kwasie siarkowym(VI) który znany jest pod nazwą oleum. Stężony kwas siarkowy transportuje się w pojemnikach żeliwnych ponieważ żelazo w stężonym kwasie siarkowym(VI) ulega pasywacji.

Kwas siarkowy(VI) należy do trójki najmocniejszych kwasów, jednak tylko jego roztwór stężony ma właściwości utleniające i może reagować, w sposób typowy dla kwasów utleniających, z miedzią:

Cu +2H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O + SO₂

Rozcieńczony kwas siarkowy reaguje z metalami z utworzeniem soli i wyparciem wodoru. Kwas ten reaguje również w sposób tradycyjny z tlenkami metali i wodorotlenkami. Jako, że jest kwasem mocnym i przy tym mało lotnym wypiera z soli praktycznie wszystkie inne kwasy

Kwas azotowy(V) - jak każdy kwas tlenowy, otrzymuje się go w wyniku reakcji odpowiedniego tlenku niemetalu z wodą. Podobnie jest i z kwasem azotowym(V). Pierwszy etap ciągu technologicznego polega więc na otrzymaniu odpowiedniego tlenku azotu. Problem polega na tym, że pierwiastki te mają zbliżoną elektroujemność, dlatego ich bezpośrednia synteza jest bardzo energochłonna. Na skalę techniczną opracował ten właśnie sposób otrzymania prof. Mościcki. Polegała ona na syntezie tlenku azotu(IV) w warunkach wyładowania łuku elektrycznego. Jako, że wiązało się to z dużym zużyciem energii elektrycznej technologię tę stosowano w krajach o dużych zasobach taniej energii elektrycznej uzyskiwanej przykładowo z elektrowni wodnych. Obecnie proces otrzymania tlenków azotu polega na katalitycznym utlenieniu amoniaku, otrzymany w ten sposób tlenek azotu(II) utlenia się samorzutnie do tlenku azotu(IV), który następnie w wyniku reakcji z wodą daje kwas azotowy(V). Oto równania reakcji poszczególnych etapów technologicznych:

1/ katalityczne utlenieni amoniaku, obecność katalizatora jest niezbędna aby utlenienie nie biegło do wolnego azotu:

2NH₃ + 2½O₂
2NO + 3H₂O

2/ w strumieniu gazów, w których znajduje się tlen, następuje samorzutne utlenienie tlenku azotu(II) do tlenku azotu(IV):

2NO + O₂→ 2NO₂ ,

który ulega dimeryzacji z utworzeniem N₂O₄

3/ Tlenek azotu(IV) wprowadza się do wody, w której następuje reakcja utworzenia kwasu azotowego(V):

N₂O₄ + H₂O → HNO₃ + HNO₂

powstający równolegle kwas azotowy(III) ulega rozkładowi a powstające tlenki są zawracanego do obiegu technologicznego. W efekcie zatęża się roztwór kwasu azotowego(V) do ostatecznego stężenia na poziomie 60%. Oznacza to, że kwas ten jest mniej lotny od kwasu solnego (który można zatężyć jedynie do około 36%), lecz lotniejszy od siarkowego(VI), który zatęża się do ponad 80%. Kwas azotowy(V) jest kwasem mocnym i jednocześnie bardzo silnie utleniającym. Działając na metale szlachetne tym kwasem to w zależności od jego stężenia otrzymuje się różne tlenki azotu. Przykładowo, jeżeli miedź reaguje ze stężonym kwasem azotowym(V) to tworzy się tlenek azotu(IV):

Cu + 4HNO₃→ Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O

z rozcieńczonym kwasem tlenek azotu(II):

3Cu + 8HNO₃→3Cu(NO₃)₂ + 2NO +4H₂O .

Inaczej biegnie reakcja z metalami bardzo aktywnymi przykładowo z cynkiem, wówczas azot redukuje się do amoniaku (jonu amonowego)

4Zn +10HNO₃→4Zn(NO₃)₂+NH₄NO₃+3H₂O

Jak każdy kwas reaguje z tlenkami metali, wodorotlenkami oraz wypiera z soli większość innych kwasów. Mimo, że kwas ten otrzymuje się w wyniku reakcji tlenku azotu(IV) z wodą, nie jest on bezwodnikiem kwasowym tego kwasu ponieważ reakcja ta biegnie ze zmianą wartościowości. Bezwodnikiem jest oczywiście tlenek azotu(V) mimo, że w procesie technologicznym nie jest stosowany. Mieszanina stężonych kwasów azotowego i solnego w stosunku objętościowym 3:1 to tzw. woda królewska, jako że rozpuszcza „króla metali” złoto. Niezwykła reaktywność tej mieszaniny polega na tym, że do dużej mocy chemicznej i utleniającej kwasu azotowego(V) dochodzi aktywność wolnego chloru, który powstaje w wyniku reakcji redoks zachodzącej między tymi kwasami.

Kwas solny. Którego prawidłowa nazwa brzmi kwas chlorowodorowy. Powstaje w wyniku rozpuszczenia w wodzie gazowego chlorowodoru. Pod wpływem polarnego rozpuszczalnika wiązanie atomowe spolaryzowane występujące w cząsteczce tego związku przekształca się w wiązanie jonowe i związek ten staje się mocnym kwasem. (Podobnie jak wszystkie fluorowcowodory!). Mimo, że jest kwasem mocnym, nie wykazuje jednak właściwości utleniających i dlatego nie reaguje z metalami o dodatnich potencjałach elektrochemicznych (z metalami szlachetnymi).

Kwas solny otrzymuje się więc w wyniku absorpcji chlorowodoru w wodzie, zaś sam chlorowodór otrzymuje się w wyniku spalenia chloru w wodorze. Surowce do tej syntezy powstają w trakcie realizacji elektrochemicznych metod otrzymywania wodorotlenku sodu (patrz metody otrzymywania wodorotlenku sodu). Jako mocny kwas reaguje więc z metalami (o ujemnych potencjałach elektrochemicznych!), tlenkami metali wodorotlenkami i wypiera z soli wiele innych kwasów. Jednak sam jest wypierany przez inne mocne kwasy, mianowicie kwas siarkowy(VI) i azotowy(V), które są kwasami mniej lotnymi. W mieszaninie z kwasem azotowym(V) tworzy tzw. wodę królewską, w której roztwarzają się metale szlachetne a to dzięki temu, że do utleniających właściwości kwasy azotowego dochodzą silnie utleniające właściwości gazowego chloru, który powstaje w wyniku reakcji redoks zachodzącej między stężonym kwasem azotowym(V) i kwasem solnym. O tym, że kwas solny jest wypierany przez mniej lotne, lecz również mocne kwasy siarkowy(VI) i azotowy(V) świadczy możliwość zagęszczania tych kwasów. Kwas siarkowy(VI) można zatężyć do prawie 80%, azotowy do 60% zaś solny zaledwie do 36%.

1

---