Kwasy tlenowe – budowa, wzory i otrzymywanie

Kwasy tlenowe to grupa nieorganicznych kwasów, których cząsteczki składają się z:

• atomów wodoru,
• atomu centralnego (najczęściej niemetalu),
• oraz tlenu – który łączy atom centralny z grupami –OH.

Ich właściwości zależą m.in. od rodzaju atomu centralnego oraz liczby atomów tlenu w cząsteczce.

Przykłady kwasów tlenowych:

• kwas siarkowy(VI) – H₂SO₄,
• kwas azotowy(V) – HNO₃,
• kwas fosforowy(V) – H₃PO₄.

Poniższa tabela przedstawia najczęściej występujące kwasy tlenowe wraz z ich podstawowymi właściwościami.

Do mocnych kwasów tlenowych zaliczamy te, które w wodzie ulegają niemal całkowitej dysocjacji. W praktyce oznacza to, że bardzo łatwo oddają protony (H⁺), tworząc silnie kwaśne środowisko.

• H₂SO₄ – kwas siarkowy(VI)
• HNO₃ – kwas azotowy(V)

Ich obecność łatwo potwierdzić za pomocą wskaźników pH, ponieważ już niewielkie ilości silnych kwasów tlenowych znacząco obniżają pH roztworu.

Moc kwasów tlenowych zależy głównie od:

• liczby atomów tlenu w cząsteczce,
• elektroujemności atomu centralnego,
• stabilności reszty kwasowej po oddaniu protonu.

Szereg alkanów (takich jak metan, etan, propan…) to podstawa do tworzenia alkoholi przez podstawienie jednego atomu wodoru grupą hydroksylową (-OH). W ten sposób powstaje szereg homologiczny alkoholi jednowodorotlenowych:

Wzory sumaryczne kwasów tlenowych można zapisać na podstawie:

• wartościowości atomu centralnego,
• ilości grup hydroksylowych,
• liczby atomów tlenu, które łączą się z atomem centralnym i grupami –OH.

Przykładowe wzory i odpowiadające im nazwy:

• HNO₃ – kwas azotowy(V)
• H₂SO₄ – kwas siarkowy(VI)
• H₃PO₄ – kwas fosforowy(V)
• H₂CO₃ – kwas węglowy

Poprawne zapisanie wzoru pozwala ustalić m.in. czy dany kwas jest jedno-, dwu- czy trójprotonowy.

Kwasy beztlenowe to związki chemiczne, które – w przeciwieństwie do kwasów tlenowych – nie zawierają atomów tlenu. Składają się jedynie z atomów wodoru oraz innego pierwiastka, najczęściej niemetalu, który tworzy resztę kwasową.

Budowa kwasów beztlenowych obejmuje:

• atom lub atomy wodoru,
• atom pierwiastka innego niż tlen – np. chloru, siarki, bromu.

Najczęstsze kwasy beztlenowe:

• HCl – kwas chlorowodorowy
• HBr – kwas bromowodorowy
• HF – kwas fluorowodorowy
• H₂S – kwas siarkowodorowy

W chemii nieorganicznej kwasy tlenowe i beztlenowe tworzą wspólną grupę, ale różnią się zarówno budową, jak i sposobem otrzymywania.

Aby łatwiej zrozumieć różnice między kwasami tlenowymi i beztlenowymi, poniżej przedstawiamy prostą tabelę porównawczą, która uwzględnia m.in. budowę, obecność tlenu oraz typowe przykłady.

Ta tabela kwasów tlenowych i beztlenowych pozwala szybko odróżnić oba typy na podstawie ich składu i właściwości fizykochemicznych.

Poprawne zapisywanie wzorów i nazw kwasów tlenowych i beztlenowych to podstawowa umiejętność w chemii. W zależności od obecności tlenu stosujemy inne zasady nazewnictwa:

• Kwasy tlenowe: nazwa = „kwas” + nazwa pierwiastka + (wartościowość), np.:
  • HNO₃ → kwas azotowy(V)
  • H₂SO₄ → kwas siarkowy(VI)
• Kwasy beztlenowe: nazwa = „kwas” + nazwa niemetalu + „-wodorowy”, np.:
  • HCl → kwas chlorowodorowy
  • HF → kwas fluorowodorowy

W przypadku tlenowych kwasów wieloprotonowych, nazwa zawiera również liczbę atomów wodoru i wartość stopnia utlenienia pierwiastka centralnego.

Otrzymywanie kwasów zależy od ich rodzaju. Reakcje prowadzące do powstania kwasów tlenowych i beztlenowych przebiegają różnie:

1. Kwasy tlenowe

Najczęściej powstają w reakcji tlenków kwasowych (tlenków niemetali) z wodą. Przykłady:

• SO₃ + H₂O → H₂SO₄
• P₄O₁₀ + 6H₂O → 4H₃PO₄
• CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃

2. Kwasy beztlenowe

Powstają najczęściej przez rozpuszczenie odpowiedniego wodorku niemetalu w wodzie:

• HCl (gaz) → HCl (w roztworze wodnym)
• H₂S (gaz) + H₂O ⇄ H₂S (roztwór)

Znajomość metod otrzymywania kwasów tlenowych i beztlenowych jest szczególnie ważna w analizie reakcji chemicznych oraz w zadaniach maturalnych.

Nie wszystkie kwasy tlenowe mają taką samą siłę działania. Moc kwasów tlenowych zależy od ich zdolności do oddawania jonów wodorowych (H⁺) w roztworze wodnym.

Na siłę kwasu wpływa kilka czynników:

• liczba atomów tlenu w cząsteczce – im więcej, tym silniejszy kwas,
• elektroujemność atomu centralnego,
• stabilność powstałej reszty kwasowej po oddaniu protonu.

Przykłady pokazujące różnice:

• HNO₃ (kwas azotowy) – mocny, ponieważ zawiera 3 atomy tlenu i elektroujemny azot,
• HNO₂ (kwas azotowy(III)) – średni, mniej tlenu i niższy stopień utlenienia azotu.

W tablicach maturalnych znajdziesz stałe dysocjacji (Ka), które pozwalają porównać moc kwasów tlenowych ilościowo. Im większa wartość Ka, tym kwas silniejszy.

Otrzymywanie kwasów to procesy chemiczne, dzięki którym uzyskuje się roztwory o właściwościach kwasowych. W zależności od typu kwasu, reakcje te przebiegają różnie.

Kwasy tlenowe

Najczęściej powstają w reakcji tlenków niemetali (tlenków kwasowych) z wodą. Przykłady:

• CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃
• SO₃ + H₂O → H₂SO₄
• N₂O₅ + H₂O → 2HNO₃

Kwasy beztlenowe

Otrzymywane przez rozpuszczanie gazowych wodorków niemetali w wodzie:

• HCl (gaz) + H₂O → HCl (roztwór wodny)
• H₂S (gaz) ⇄ H₂S (roztwór wodny)

Te reakcje są podstawą wielu doświadczeń chemicznych i omawiane są już na poziomie szkoły średniej. W praktyce przemysłowej wykorzystywane są również inne, bardziej złożone metody syntezy.

Dla celów edukacyjnych warto zapamiętać kilka najczęściej występujących wzorów kwasów tlenowych. Pomagają one w szybkim rozpoznaniu nazwy i właściwości danego kwasu.

Zrozumienie zależności między wzorem, nazwą i właściwościami kwasu pozwala łatwiej rozwiązywać zadania z działu kwasy chemia.

• Zintegrowana Platforma Edukacyjna – zpe.gov.pl
  Materiały edukacyjne dla uczniów i nauczycieli z chemii (dział: kwasy tlenowe i beztlenowe).
• chemiamaturalna.com
  Serwis przygotowujący do matury z chemii, zawiera artykuły i notatki z teorii i zadań.
• Wikipedia (pl.wikipedia.org)
  Artykuły ogólne nt. kwasów, tlenków, wartościowości, wzorów chemicznych i reakcji.
• epodreczniki.pl
  Oficjalna baza e-podręczników MEN, wykorzystywana w szkołach podstawowych i średnich.