Kwasy
Kwasy - ogólnie - to związki chemiczne, które w roztworach wodnych dysocjują na kation wodoru i anion reszty kwasowej. To związki chemiczne których cząsteczki zbudowane są z atomów wodoru i reszty kwasowej.
Kwas wg klasycznej definicji Arrheniusa to każdy związek, który wprowadzony do roztworu wodnego zwiększa stężenie jonów oksoniowych H3O + (zmniejsza pH roztworu). Automatycznie zasadą jest każdy związek, który zwiększa stężenie jonów wodorotlenkowych OH − . Definicja ta ma głównie zastosowanie do roztworów wodnych.
Według teorii kwasów i zasad Brønsteda-Lowry'ego, kwas to każdy związek chemiczny, który w warunkach danej reakcji jest donorem, (czyli inaczej dostarczycielem) jonu wodorowego H+.
Z drugiej strony zasada to każdy związek, który może być akceptorem, (czyli inaczej przyjmującym) jon wodorowy. W reakcji kwasu i zasady Brønsteda-Lowry'ego powstaje nowy kwas i nowa zasada. Np. w reakcji:
Związek HA jest kwasem a związek B zasadą. Jon A − jest nową zasadą, a HB + nowym kwasem.
Przykład reakcji:
Związki chemiczne (z wyjątkiem niektórych bardzo mocnych zasad i kwasów) mogą w zależności od warunków pełnić rolę kwasu lub zasady - związki takie nazywa się związkami amfoterycznymi.
Inną, bardziej ogólną definicję kwasu podał Gilbert Newton Lewis: Kwas to związek, który jest akceptorem (przyjmującym) w warunkach danej reakcji parę elektronową, (więc zasada jest donorem pary elektronowej).
Definicja nie obejmuje klasycznych kwasów (tj. kwasów protonowych np. HCl), które wg teorii Brønsteda-Lowry'ego są kwasami, w myśl definicji Lewisa kwasami nie są. Stanowią one zaś addukty kwasowo-zasadowe.
Definicja Lewisa obejmuje jednak związki chemiczne, które zachowują się jak kwasy, bo mają silny deficyt elektronów, mimo że w ogóle nie posiadają w swojej strukturze atomu wodoru (np. chlorek glinu(III) AlCl3).
Tradycyjnie takie związki są nazywane kwasami Lewisa.
W przypadku zasad, definicje Lewisa i Brønsteda-Lowry'ego praktycznie się pokrywają - tzn. nie istnieją takie związki, które by były zasadami wg definicji Lewisa a nie były nimi wg definicji Brønsteda-Lowry'ego.
Jeszcze bardziej ogólnym od kwasów i zasad Lewisa podziałem związków chemicznych pod kątem nadmiaru lub deficytu elektronów są pojęcia elektrofila i nukleofila.
W roztworach wodnych kwasy dysocjują na kation hydroniowy H3O+ (hydratowany kation wodorowy H+) i anion reszty kwasowej, np.
HNO3 + H2O ⇌ H3O+ + NO3- (anion azotanowy(V))
Kwasy wielowodorotlenowe dysocjują stopniowo:
H3PO4 + H2O ⇌ H2PO4- + H3O+
cząsteczka kwasu ortofosforowego(V) rozpada się na anion diwodoroortofosforanowy(V) i kation wodoru
H2PO4- + H2O ⇌ HPO42- + H3O+
anion diwodoroortofosforanowy(V) rozpada się na dwuujemny anion wodoroortofosforanowy(V) i kation wodoru
HPO42- + H2O ⇌ PO43- + H3O+
anion wodoroortofosforanowy(V) rozpada się na trójujemny anion ortofosforanowy(V) i kation wodoru
Do najbardziej znanych tlenowych kwasów nieorganicznych (wg definicji Arrheniusa) zaliczyć można:
Najważniejsze beztlenowe kwasy nieorganiczne:
Kwasy nieorganiczne mocne:
Inne kwasy:
Zasady
Zasady - jedna z podstawowych obok kwasów i soli grup związków chemicznych. Wodne roztwory silnych zasad nieorganicznych są nazywane ługami (np. ług sodowy). Istnieją trzy różne definicje tej grupy związków:
Według klasycznej, jonowej teorii Arrheniusa, zasada to związek chemiczny, który po wprowadzeniu do roztworu wodnego, na skutek dysocjacji z wydzieleniem anionów wodorotlenowych, zwiększa stężenie jonów OH − i zmniejsza stężenie jonów oksoniowych H3O + (zwiększa pH roztworu).
Zasada wg definicji Brønsteda-Lowry'ego to każdy związek chemiczny, który w warunkach danej reakcji jest akceptorem (czyli inaczej przyjmującym) kationu wodorowego (H+) czyli protonu.
Z drugiej strony kwas to każdy związek, który może być donorem, czyli inaczej dostarczycielem protonu (kationu wodorowego).
Np. w reakcji:
HA + B → A- + HB+
związek HA jest kwasem, a związek B - zasadą.
Związki chemiczne (z wyjątkiem niektórych bardzo mocnych zasad i kwasów) mogą w zależności od warunków pełnić rolę kwasu lub zasady - związki takie nazywa się związkami amfoterycznymi.
Inną, bardziej ogólną definicję zasady podał Lewis: Zasada to związek, który jest donorem (dostarczycielem) w warunkach danej reakcji pary elektronowej (więc kwas jest akceptorem pary elektronowej).
W przypadku zasad definicja ta jest praktycznie jednoznaczna z definicją klasyczną, gdyż przyjęcie jonu wodorowego wiąże się z utworzeniem wiązania z atomem wodoru, przy czym oba elektrony tworzące to wiązanie muszą być dostarczone przez zasadę. Każda zasada będąca nią wg definicji klasycznej musi być więc też zasadą wg definicji Lewisa i vice versa.
Nie jest tak jednak w przypadku kwasów, gdyż definicja Lewisa obejmuje też związki, które zachowują się jak kwasy, bo mają silny deficyt elektronów, mimo że w ogóle nie posiadają w swojej strukturze atomu wodoru (np. chlorek glinu(III) AlCl3).
Jeszcze bardziej ogólnym od kwasów i zasad Lewisa podziałem związków chemicznych pod kątem nadmiaru lub deficytu elektronów są pojęcia: elektrofil i nukleofil.
Sole
Sole - związki chemiczne powstałe w wyniku całkowitego lub częściowego zastąpienia w kwasach atomów wodoru innymi atomami bądź grupami o własnościach elektrofilowych, takimi jak metale, NH4+, RO- (gdzie R - dowolna grupa, np. organiczna) itp. Sole znalazły liczne zastosowania, przede wszystkim jako nawozy sztuczne, a ponadto w budownictwie, komunikacji, w przemyśle spożywczym i wielu innych.
Ogólnym wzorem na zapis soli jest wzór:
MaARKbB
gdzie: a,b - odpowiednie indeksy
A - wartościowość metalu
B - wartościowość reszty kwasowej
AlIII SO4II Przechodzimy do metody na krzyż i uzyskujemy wzór: Al2(SO4)3
Roztwory wodne soli mocnych kwasów i mocnych zasad mają zwykle różny odczyn. Sole mocnych kwasów i słabych zasad mają odczyn kwaśny, zaś sole mocnych zasad i słabych kwasów odczyn zasadowy. Sole słabych kwasów i słabych zasad mogą dawać odczyn zasadowy lub kwaśny, zależnie od stężenia.
Oprócz tego wyróżnia się:
Sole nienasycone, które dzieli się na:
sole nasycone - w których nie występują ani grupy hydroksylowe, ani "kwaśne" atomy wodoru.
Tzw. sole "zasadowe" i "kwaśne" - bardzo często mają odwrotny odczyn niżby się tego można było spodziewać na podstawie ich niepoprawnej nazwy, podobnie jak to jest z solami mocnych kwasów i słabych zasad.
metal + niemetal → sól (dotyczy tylko soli kwasów beztlenowych)
kwas 1 + sól 1 → sól 2 + kwas 2
sól → sól + sól (dysproporcjonowanie)
sól 1 (rozp. w wodzie) + sól 2 (rozp. w wodzie) → sól 3 (nierozpuszczalna w wodzie) + sól 4 (rozpuszczalna w wodzie)
sól 1 → metal 2 + sól 2
zasada 1 + sól 1 → zasada 2 + sól 2
sól 1 + sól 2 → sól 3 + sól 4
np. siarczek miedzi(II) CuS
Cu + H2S → CuS + H2
H2S + CuCl2 → CuS↓ + 2HCl
Na2S + CuCl2 → CuS↓ + 2NaCl
lub fosforan(V) magnezu Mg3(PO4)2
3MgO + 2H3PO4 → Mg3(PO4)2 + 3H2O
3Mg(OH)2 + 2H3PO4 → Mg3(PO4)2 + 6H2O
6MgO + P4O10 → 2Mg3(PO4)2
6Mg(OH)2 + P4O10 → 2Mg3(PO4)2 + 6H2O
2H3PO4 + 3MgCl2 → Mg3(PO4)2↓ + 6HCl
2Na3PO4 + 3MgCl2 → Mg3(PO4)2↓ + 6NaCl
4KClO3 → KCl + 3KClO4
Tlenki
Tlenki są to nieorganiczne związki chemiczne, zbudowane z tlenu i dowolnego pierwiastka chemicznego.
Tlenki mają bardzo różne własności fizyczne, które zależą od pierwiastka łączącego z tlenem: od substancji stałych o bardzo wysokich temperaturach topnienia (np. tlenek wolframu), przez ciecze (woda), po gazy (np. podtlenek azotu). Większość tlenków metali ma podobny, biały bądź szary kolor bez połysku.
Tlenki mają bardzo różne własności chemiczne w zależności od elektroujemności pierwiastka, z którym tlen tworzy wiązanie.
IUPAC zaleca stosowanie systemu Stocka. Aby nadać tlenkowi nazwę przy użyciu tego systemu używamy słowa tlenek oraz podajemy nazwę pierwiastka tworzącego dany tlenek. Tlen w tlenkach zawsze występuje na minus drugim stopniu utleniania (-II). Dla pierwiastka, który w wiązaniu z tlenem przyjmuje tylko jedną wartościowość nie podaje się jej, lecz gdy istnieją różne wartościowości pierwiastka, w jego tlenkach należy napisać ją w nawiasie. Np.:
K2O - tlenek potasu
CaO - tlenek wapnia
Sc2O3 -tlenek skandu
CO - tlenek węgla (II)
CO2 - tlenek węgla (IV)
MnO2 - tlenek manganu (IV)
Wyjątkiem jest fluorek tlenu (OF2) (NIE ), ponieważ tlen jest mniej elektroujemny niż fluor, chociaż jest to związek tlenu z fluorem.
1. Bezpośrednia synteza z pierwiastków:
2Cl2 + O2 → 2Cl2O
S + O2 → SO2
2CO + O2 → 2CO2
4FeO + 3O2 → 2Fe2O3
MnO2 + H2 → MnO + H2O
Fe2O3 + C → 2FeO + CO
4.Rozkład tlenków:
N2O3 → NO + NO2
4MnO2 → 2Mn2O3 + O2
5. Rozkład soli nietrwałych kwasów tlenowych:
CaCO3 → CaO + CO2
Na2SO3 → Na2O + SO2
6. Rozkład niektórych wodorotlenków:
2Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2O
Cu(OH)2 → CuO + H2O
7. Rozkład kwasów nietrwałych:
H2CO3 → CO2 + H2O
H2SO3 → SO2 + H2O
Reakcje tlenków z wodą |
||||||
Charakterystyka |
||||||
|
Tlenki o charakterze kwasowym SiO2 |
|
|
|||
Reakcja z wodą |
tak (1) |
nie |
tak (2) |
nie |
nie |
nie |
Reakcja z kwasem |
nie |
tak (3) |
tylko z kwasem mocnym (4) |
nie |
||
Reakcja z zasadą |
tak (5) |
nie |
tylko z mocną zasadą (6) |
nie |
Najbardziej znaną reakcją chemiczną tlenków jest reakcja z wodą, w czasie której powstają kwasy i zasady.
CO2 + H2O → H2CO3
SO3 + H2O → H2SO4
(2) Tlenki metali alkalicznych i ziem alkalicznych (czyli litowce i berylowce bez berylu i magnezu) w reakcji z wodą tworzą zasady:
Na2O + H2O → 2NaOH
CaO + H2O → Ca(OH)2
(5) Tlenki kwasowe reagują z zasadami:
Cl2O7 + 2NaOH → 2NaClO4 + H2O
CO2 + 2LiOH → Li2CO3 + H2O
(3) Tlenki zasadowe reagują z kwasami:
CaO + 2HCN → Ca(CN)2 + H2O
K2O + HNO2 → KNO2 + H2O
Tlenki amfoteryczne to takie, które posiadają własności kwasowe lub zasadowe w zależności od środowiska, w którym się znajdują.
Al2O3 + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2O
ZnO + 2HMnO4 → Zn(MnO4)2 + H2O
Al2O3 + 6NaOH + 3H2O → 2Na3[Al(OH)6]
ZnO + Sr(OH)2 + H2O → Sr[Zn(OH)4]
Oczywiście należy pamiętać, że reakcje otrzymywania tlenków (powyżej),
reakcji z wodą, kwasem lub zasadą nie mają nic wspólnego z rzeczywistością.
Większość z wypisanych reakcji jest po prostu nieekonomiczna, bądź zbyt niebezpieczna, aby ją wykonać.
Innym, często stosowanym podziałem tlenków jest fakt występowania lub nie wiązań chemicznych tlen-tlen i inny pierwiastek - inny pierwiastek.
Do najbardziej znanych tlenków zaliczyć można:
Wodorotlenki
Wodorotlenki to związki nieorganiczne metali typu M(OH)x. Związki o budowie jonowej zawierające stabilny kation organiczny i anion OH- również określa się nazwą "wodorotlenki" (np. (CH3)4N+OH- - wodorotlenek tetrametyloamoniowy).
Ze względu na właściwości kwasowo-zasadowe wyróżnia się wodorotlenki zasadowe, obojętne, kwasowe lub amfoteryczne.
Charakter kwasowo-zasadowy wodorotlenków jest zależny od charakteru i energii wiązania M-O (metal-tlen). Jeżeli wiązanie to jest silnie i jonowe, wodorotlenek ma charakter zasadowy i w pełni dysocjuje na jony OH-. Jeżeli wiązanie ma charakter kowalencyjny wodorotlenek może mieć właściwości amfoteryczne z przewagą zasadowych (np. Zn(OH)2), a nawet kwasowych (np. Ti(OH)4).
1) metal + woda → wodorotlenek + wodór
2) tlenek metalu + woda → wodorotlenek
Siarczany
Siarczany(IV) (nazwa tradycyjna: siarczyny), MI2SO3, MIISO3 - sole nietrwałego kwasu siarkowego(IV) (siarkawego).
Anion siarczanowy(IV) jest dwuujemnym jonem o wzorze SO32- Zwykle są trudno rozpuszczalne w wodzie, z wyjątkiem siarczanów(IV) litowców. Są bezbarwne jeżeli kation jest bezbarwny. Mają redukujące własności. Utleniają się na powietrzu. W środowisku kwaśnym wydzielają dwutlenek siarki (SO2).
W chemii nieorganicznej siarczany(VI) (nazwa tradycyjna: siarczany) to sole kwasu siarkowego(VI) (siarkowego).
Jon siarczanowy(VI) to dwuujemny anion o wzorze empirycznym SO42− i masie cząsteczkowej 96,06 u; składa się z jednego centralnego atomu siarki otoczonego przez cztery atomy tlenu, ma kształt czworościanu. Jon siarczanowy(VI) jest resztą kwasową kwasu siarkowego(VI) (H2SO4).
Prawie wszystkie siarczany(VI) są dobrze rozpuszczalne w wodzie. Siarczan wapnia, strontu, baru, ołowiu(II), srebra i rtęci(I) są nierozpuszczalne w wodzie.
Siarczany mają szerokie zastosowanie:
Minerały tworzące gromadę siarczanów powstają w niskich temperaturach w środowiskach utleniających. Przeważnie są produktami procesów hipergenicznych, zwłaszcza ewaporacji wód morskich i jeziornych. Wiele siarczanów metali ciężkich tworzy się w strefie utleniania kruszców. Niektóre z nich jako produkty działalności hydrotermalnej powstają w niskich temperaturach. Przeważnie są bezbarwne, lecz niektóre z nich, zwłaszcza siarczany metali ciężkich , odznaczają się żywym zabarwieniem. Przeważnie są przezroczyste. cechuje je niewielka twardość, która w nielicznych przypadkach osiąga 3,5 w skali Mohsa. Znaczna ich częśc rozpuszcza się w wodzie, dotyczy to szczególnie siarczanów metali jedno i dwuwartościowych o małych promieniach jonowych np. Na+ i Mg2+. Przy ich rozpoznawaniu najczęściej używa się metod termicznych (DTA, TG, DTG), przydatne są także metody rentgenostrukturalne oraz spektroskopia w podczerwieni.
Ze względu na skład chemiczny wyróżnia się pięć klas siarczanów:
Chlorki
Chlorek - ogólna nazwa związków chemicznych, soli kwasu solnego lub innych związków zawierających chlor.
sole kwasu solnego;
Większość soli chlorkowych jest dobrze rozpuszczalna w wodzie. Kationy, których chlorki są słabo rozpuszczalne, zostały wyodrębnione w I grupę kationów. Są to: AgCl, PbCl2 oraz Hg2Cl2.
Sole chlorkowe zawierają anion chlorkowy: Cl−. Jony te pełnią ważną funkcję w komórkach organizmów żywych. Działanie enterotoksyny (toksyny przecinkowca cholery) jest związane z zaburzeniem gospodarki jonu Cl−.
Najbardziej znaną nieorganiczną solą chlorkową jest chlorek sodu, czyli sól kuchenna. Jest on również najbardziej powszechną solą rozpuszczoną w oceanach.
Siarczki
W chemii nieorganicznej są to sole kwasu siarkowodorowego o wzorze ogólnym M2S (gdzie M - metal jednowartościowy), np. Na2S - siarczek sodu lub HgS - siarczek rtęci(II).
W chemii organicznej siarczkami nazywane są związki zawierające wiązanie C-S-C (→ tioetery), np. siarczek dimetylu H3C-S-CH3.
Siarczki metali naturalnego pochodzenia wyróżniają się dużą gęstością, zazwyczaj są nieprzezroczyste i przewodzą prąd elektryczny.
Siarczki rozkładają się i reagują pod wpływem wód powierzchniowych i atmosfery, przechodząc w barwne tlenki, wodorotlenki, węglany, siarczany i fosforany metali.
Minerały siarczków występują głównie w złożach kruszców związanych z działalnością magmową oraz w meteorytach. Tworzą najistotniejsze gospodarczo złoża: wydobywano z nich kruszce srebra, miedzi, rtęci, cynku, ołowiu oraz piryt.
andoryt - antymonit - argentopiryt - argentyt - arsenopiryt - aurypigment - bornit - boulangeryt - bournonit - chalkopiryt - chalkozyn - cynober - dyskrazyt - freieslebenit - galena - greenockit - haueryt - jordanit - kermesyt - kobaltyn - kowelin - linneit - markasyt - maucheryt - miargyryt - milleryt - molibdenit - nagyagit - nikielin - pirargyryt - pirostilpnit - pirotyn - piryt - plagionit - polibazyt - proustyt - realgar - saffloryt - seligmannit - semseyit - sfaleryt - skutterudyt - stephanit - sylvanit - tennantyt - tetraedryt - ullmannit - wurtzyt