Budowa kwasów tlenowych

Kwasy nieorganiczne to takie, których cząsteczki zbudowane są z przynajmniej jednego atomu wodoru oraz tak zwanej reszty kwasowej.

W cząsteczkach kwasów tlenowych, w skład reszty kwasowej wchodzą atomy tlenu oraz atom pierwiastka innego niż tlen i wodór (zwykle atom niemetalu). Atom ten często jest w kwasach nazywamy atomem centralnym, a atomy wodoru, w przypadku cząsteczek większości kwasów, nie są z nim połączone bezpośrednio, ale poprzez atomy tlenu.

Wzór ogólny nieorganicznych kwasów tlenowych, podobnie jak wzór ogólny kwasów beztlenowych, ma postać:

${\mathbf{\text{H}}}_{\mathbf{\text{n}}}\mathbf{\text{R}}$

gdzie:
$\mathbf{\text{H}}$ – symbol atomu wodoru;
$\mathbf{\text{R}}$ – reszta kwasowa, w cząsteczkach kwasów tlenowych zbudowana z atomów tlenu i atomu, a czasem atomów, pierwiastka innego niż tlen i wodór – najczęściej atomu niemetalu;
$\mathbf{\text{n}}$ – liczba atomów wodoru w cząsteczce kwasu (równa wartościowości reszty kwasowej).

Jednym z nieorganicznych kwasów tlenowych jest tak zwany kwas węglowy, którego wzór sumaryczny możemy zapisać jako ${\text{H}}_2{\text{CO}}_3$.

1

Polecenie 1

Wykorzystując zestaw modeli atomów lub kolorową plastelinę i wykałaczki (lub zapałki), skonstruuj model cząsteczki kwasu węglowego. W swoim modelu uwzględnij różnice w rozmiarach atomów węgla, tlenu i wodoru oraz ich wartościowość (atomy węgla w cząsteczce kwasu węglowego są czterowartościowe, atomy tlenu dwuwartościowe, a atomy wodoru jednowartościowe). Pamiętaj, że atomy wodoru w cząsteczce analizowanego kwasu nie są bezpośrednio połączone z atomem węgla.

RFXGMDbho5Vif

Zrób zdjęcie skonstruowanego modelu, a następnie umieść je w wyznaczonym polu.

Wskazówki i klucze odpowiedzi

Pokaż podpowiedź

Spośród atomów wchodzących w skład cząsteczki kwasu węglowego, największy promień atomowy (największy rozmiar) mają atomy węgla, a najmniejszy atomy wodoru.

Pokaż odpowiedź

Czy skonstruowany przez Ciebie model jest podobny do modelu zamieszczonego poniżej? Czy została w nim uwzględniona krotność wiązań pomiędzy poszczególnymi atomami w cząsteczce kwasu węglowego?

RrtBZZYUpkcFy

Model cząsteczki kwasu węglowego.

Polecenie 1

Jak myślisz, w jaki sposób zbudowana jest cząsteczka kwasu węglowego? Wykorzystując zestaw modeli atomów lub kolorową plastelinę i wykałaczki (lub zapałki), spróbuj skonstruować model cząsteczki kwasu węglowego. W swoim modelu uwzględnij różnice w rozmiarach atomów węgla, tlenu i wodoru oraz ich wartościowość (atomy węgla w cząsteczce kwasu węglowego są czterowartościowe, atomy tlenu dwuwartościowe, a atomy wodoru jednowartościowe). Pamiętaj, że atomy wodoru w cząsteczce analizowanego kwasu nie są bezpośrednio połączone z atomem węgla.

Pokaż podpowiedź

Spośród atomów wchodzących w skład cząsteczki kwasu węglowego, największy promień atomowy (największy rozmiar) mają atomy węgla, a najmniejszy atomy wodoru. Pamiętaj, aby uwzględnić krotność wiązań pomiędzy poszczególnymi atomami w cząsteczce.

1

Polecenie 2

W oparciu o skonstruowany model cząsteczki kwasu węglowego, narysuj jej wzór strukturalny.

RzzSiobRlFiyu

Odpowiedź zapisz w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjęcie, a następnie umieść je w wyznaczonym polu.

Wskazówki i klucze odpowiedzi

Pokaż podpowiedź

Wzór strukturalny cząsteczki związku chemicznego powinien zawierać symbole atomów pierwiastków wchodzących w jej skład oraz wiązania, jakie tworzą się pomiędzy tymi atomami.

Pokaż odpowiedź

Czy narysowany przez Ciebie wzór strukturalny jest taki jak ten zamieszczony poniżej?

R17ekM84FINF8

Wzór strukturalny kwasu węglowego.

1

Polecenie 2

W oparciu o skonstruowany model cząsteczki wskaż, który atom pełni funkcję atomu centralnego.

R1CypwiMIzeoz

(Uzupełnij).

Wskazówki i klucze odpowiedzi

Pokaż podpowiedź

Atom centralny to atom stanowiący rdzeń cząsteczki.

Pokaż odpowiedź

Funkcję atomu centralnego w cząsteczce kwasu węglowego pełni atom węgla.

Nazwy kwasów tlenowych tworzymy, dodając do wyrazu „kwas” formę przymiotnikową nazwy pierwiastka (zwykle niemetalu), który wchodzi w skład reszty kwasowej (z końcówką „-owy”). W przypadku, kiedy atomy wspomnianego pierwiastka mogą w związkach chemicznych przyjmować różne w wartościowości, to tę konkretną uwzględniamy w nazwie kwasu, zapisując ją w nawiasie. Przykładowo w cząsteczce kwasu tlenowego o wzorze:

${\text{H}}_2{\text{SO}}_3$

atom siarki ma wartościowość równą $\text{IV}$. Nazwa tego kwasu to:

$\text{IV}$

Jeżeli niemetal, jak np. węgiel, tworzy tylko jeden kwas tlenowy, wówczas w nazwie tego kwasu nie podaje się wartościowości. Dlatego analizowany kwas o wzorze:

${\text{H}}_2{\text{CO}}_3$

ma nazwę:

1

Polecenie 3

Zapoznaj się z poniższym materiałem filmowym, w którym przedstawiono metodę obliczania wartościowości niemetalu (atomu centralnego) w cząsteczce kwasu o wzorze ${\text{H}}_3{\text{PO}}_4$. Następnie wyznacz wartościowość azotu w cząsteczkach kwasów o wzorach: ${\text{HNO}}_2$ i ${\text{HNO}}_3$ i napisz nazwy tych kwasów.

Zapoznaj się z poniższym materiałem filmowym, w którym przedstawiono metodę obliczania wartościowości niemetalu (atomu centralnego) w cząsteczce kwasu o wzorze ${\text{H}}_3{\text{PO}}_4$. Następnie wyznacz wartościowość azotu w cząsteczkach kwasów o wzorach: ${\text{HNO}}_2$ i ${\text{HNO}}_3$ i podaj nazwy tych kwasów.

R1BVZ9qGowTQs

Na filmie ukazano proces obliczania wartościowości fosforu w cząsteczce kwasu fosforowego pięć ${\text{H}}_3{\text{PO}}_4$.

Na filmie ukazano proces obliczania wartościowości fosforu w cząsteczce kwasu fosforowego pięć ${\text{H}}_3{\text{PO}}_4$.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1BVZ9qGowTQs

Na filmie ukazano proces obliczania wartościowości fosforu w cząsteczce kwasu fosforowego pięć ${\text{H}}_3{\text{PO}}_4$.

R2UZoOsw0YFE7

Odpowiedź zapisz w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjęcie, a następnie umieść je w wyznaczonym polu.

R1bjZ6zug4CsK

(Uzupełnij).

Wskazówki i klucze odpowiedzi

Pokaż podpowiedź

Tlen w związkach chemicznych przyjmuje wartościowość równą $\text{II}$, a wodór wartościowość równą $\text{I}$.

Pokaż odpowiedź

Czy w zapisanych przez Ciebie nazwach kwasów znajdują się odpowiednie wartościowości azotu?

Wzór sumaryczny kwasu	Wartościowość azotu w cząsteczce	Nazwa kwasu
$\mathbf{\text{H}}\mathbf{\text{N}}{\mathbf{\text{O}}}_{\mathbf{2}}$	$\left(2·\text{II}-\text{I}=\text{III}\right)$$\mathbf{\text{III}}$	$\mathbf{\text{kwas}}\mathbf{ }\mathbf{\text{azotowy}}\left(\text{III}\right)$
$\mathbf{\text{H}}\mathbf{\text{N}}{\mathbf{\text{O}}}_{\mathbf{3}}$	$\left(3·\text{II}-\text{I}=\text{V}\right)$$\mathbf{\text{V}}$	$\mathbf{\text{kwas}}\mathbf{ }\mathbf{\text{azotowy}}\left(\text{V}\right)$

1

Polecenie 4

W poniższej tabeli znajdują się informacje dotyczące sześciu nieorganicznych kwasów tlenowych. Przeanalizuj je, a następnie narysuj w zeszycie podobną tabelę, w której znajdą się informacje o kwasach tlenowych o wzorach: ${\text{HBrO}}_4$, ${\text{HClO}}_2$, ${\text{HBrO}}_3$ i $\text{HIO}$. Uwzględnij nazwy wymienionych kwasów, wartościowość oraz wzór anionu reszty kwasowej zawartej w cząsteczce każdego z kwasów, a także wzór strukturalny i schematyczny rysunek modelu każdej z cząsteczek.

RINrtJJj1wl9T

Ilustracja przedstawia tabelę, w której zestawiono cechy sześciu kwasów tlenowych: azotowego trzy, azotowego pięć, fosforowego pięć, siarkowego cztery, siarkowego sześć i węglowego. Wzory sumaryczne tych kwasów to kolejno: ${\mathrm{HNO}}_2$, ${\mathrm{HNO}}_3$, ${\mathrm{H}}_3{\mathrm{PO}}_4$, ${\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_3$, ${\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4$ oraz ${\mathrm{H}}_2{\mathrm{CO}}_3$. Wartościowość reszty kwasowej pierwszych dwóch związków wynosi jeden, trzeciego trzy, a pozostałych trzech dwa. Tabela zawiera również wzory strukturalne całych kwasów, a także wzory ich reszt kwasowych, kolejno: ${\mathrm{NO}}_2$, ${\mathrm{NO}}_3$, ${\mathrm{PO}}_4$, ${\mathrm{SO}}_3$, ${\mathrm{SO}}_4$ i ${\mathrm{CO}}_3$. W ostatniej kolumnie ukazano rysunki przedstawiające graficzne modele cząsteczek bez uwzględniania wiązań chemicznych.

RgPcApth6JFN0

Odpowiedź zapisz w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjęcie, a następnie umieść je w wyznaczonym polu.

Wskazówki i klucze odpowiedzi

Pokaż podpowiedź

Aby poprawnie zapisać nazwy i narysować wzory strukturalne wymienionych kwasów nieorganicznych, ustal wartościowość atomu centralnego wchodzącego w skład cząsteczki każdego z analizowanych kwasów.

Pokaż odpowiedź

RQxPoMInomwa5

Ilustracja przedstawia tabelę, w której zestawiono cechy czterech kwasów tlenowych: bromowego siedem, chlorowego trzy, bromowego pięć i jodowego jeden. W tabeli przedstawiono także wzory sumaryczne tych kwasów, wartościowość reszty kwasowej, wzory strukturalne, wzory reszty kwasowej i graficzne modele cząsteczek bez uwzględniania wiązań chemicznych.

Polecenie 4

Kwasy tlenowe w roztworach wodnych ulegają dysocjacji elektrolitycznej, w wyniku której ulegają rozpadowi na kationy i aniony. Anion powstał w wyniku oderwania jednego lub więcej atomów wodoru. Wartościowość reszty kwasowej jest równa liczbie oderwanych atomów wodoru. Na podstawie tych informacji do zamieszczonych poniżej kwasów tlenowych, przyporządkuj odpowiadające im reszty kwasowe.

RYhIVoPHVCcUk

Otrzymywanie kwasów tlenowych

1

Polecenie 5

W poniższym materiale filmowym przedstawiono przebieg dwuetapowego doświadczenia, które pozwala na otrzymanie kwasu siarkowego($\text{IV}$). Doświadczenie to można opisać za pomocą schematu reakcji:

$\text{S}\stackrel{+{\text{O}}_2}{\underset{\text{etap}\text{I}}{\to }}{\text{SO}}_2\stackrel{+{\text{H}}_2\text{O}}{\underset{\text{etap}\text{II}}{\to }}{\text{H}}_2{\text{SO}}_3$

Zapoznaj się z dołączonym materiałem filmowym, a następnie, dla każdego z etapów przedstawionego w nim doświadczenia, napisz obserwacje oraz równania zachodzących reakcji chemicznych w formie cząsteczkowej.

RrBGmq6CRdXQM

Na filmie ukazano doświadczenie polegające na otrzymaniu kwasu siarkowego(cztery). W celu zbadania odczynu otrzymanej substancji wykorzystano oranż metylowy.

Na filmie ukazano doświadczenie polegające na otrzymaniu kwasu siarkowego(cztery). W celu zbadania odczynu otrzymanej substancji wykorzystano oranż metylowy.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/RrBGmq6CRdXQM

Na filmie ukazano doświadczenie polegające na otrzymaniu kwasu siarkowego(cztery). W celu zbadania odczynu otrzymanej substancji wykorzystano oranż metylowy.

R1cportcEY2Kd

Odpowiedź zapisz w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjęcie, a następnie umieść je w wyznaczonym polu.

Wskazówki i klucze odpowiedzi

Pokaż podpowiedź

Notując obserwacje, zwróć uwagę na zabarwienie płomienia podczas spalania siarki oraz na ewentualną zmianę zabarwienia użytego wskaźnika kwasowo‑zasadowego.

Pokaż odpowiedź

Obserwacje:
Etap $\text{I}$: Siarka pali się niebieskim płomieniem. W kolbie powstaje biały dym (o ostrym duszącym zapachu).
Etap $\text{II}$: Roztwór oranżu metylowego zmienia zabarwienie z pomarańczowego na czerwone.

Poprawnie zapisane równania reakcji:

$\text{S}+{\text{O}}_2\to {\text{SO}}_2$

${\text{SO}}_2+{\text{H}}_2\text{O}\to {\text{H}}_2{\text{SO}}_3$

1

Polecenie 5

Przeprowadzono dwuetapowe doświadczenie, które pozwoliło na otrzymanie kwasu siarkowego($\text{IV}$). Doświadczenie to można opisać za pomocą schematu reakcji:

$\text{S}\underset{\text{etap} \text{I}}{\overset{+{\text{O}}_2}{\to }}{\text{SO}}_2\underset{\text{etap} \text{II}}{\overset{+{\text{H}}_2\text{O}}{\to }}{\text{H}}_2{\text{SO}}_3$

W kolbie zaszły więc kolejno dwie reakcje: najpierw siarka ulega spaleniu, a później produkt spalania reaguje z wodą. Napisz, dlaczego podczas doświadczenia można było otworzyć kolbę, aby dolać do niej wody?

R1ZMYTWN3Kw50

(Uzupełnij).

Wskazówki i klucze odpowiedzi

Pokaż podpowiedź

Zastanów się, jaka musi być gęstość tlenku siarki($\text{IV}$) względem powietrza.

Pokaż odpowiedź

Tlenek siarki($\text{IV}$) jest gazem cięższym od powietrza, dlatego otworzenie kolby w celu dolania do niej wody nie spowodowało, że gaz się ulotnił.

Większość kwasów tlenowych otrzymuje się między innymi w wyniku reakcji tlenku odpowiedniego niemetalu z wodą. Reakcja przebiega według schematu:

$\text{tlenek} \text{niemetalu}+\text{woda}\to \text{kwas} \text{tlenowy}$

W przypadku analizowanego doświadczenia kwas siarkowy($\text{IV}$) otrzymano w wyniku reakcji tlenku siarki($\text{IV}$) z wodą:

${\text{SO}}_2+{\text{H}}_2\text{O}\to {\text{H}}_2{\text{SO}}_3$

$\text{tlenek}\text{siarki}(\text{IV})+\text{woda}\to \text{kwas}\text{siarkowy}\left(\text{IV}\right)$

Zwróć uwagę, że w wyniku omawianej reakcji, atomy niemetalu wchodzącego początkowo w skład tlenku (w naszym przykładzie atomy siarki), nie zmieniają swojej wartościowości.

Ciekawostka

Wody gazowane otrzymuje się przez wprowadzenie pod ciśnieniem tlenku
węgla($\text{IV}$) do wody, w wyniku czego powstaje kwas węglowy, a napój nabiera lekko kwaśnego, orzeźwiającego smaku. Kwas węglowy jest bardzo nietrwały i szybko ulega rozkładowi na wodę i tlenek węgla($\text{IV}$). Tak też się dzieje po otwarciu butelki z wodą gazowaną.

RNwn2RkSDC4DX

Rysunek przedstawia schematycznie zasadę działania syfonu do wody sodowej. Zestaw składa się z dużego zbiornika wypełnionego w dwóch trzecich wodą, zamkniętego od góry głowicą ze skierowanym pod kątem w dół otworem wylotowym w postaci dzióbka. Z tyłu głowicy w specjalny otwór włożony jest pojemnik w kształcie naboju oznaczony kolorem żółtym, z którego zawartość może się przedostawać przez głowicę do zbiornika, co ukazano za pomocą czarnej strzałki skierowanej do wnętrza zbiornika. Wnętrze naboju opisane jest wzorem ${\text{CO}}_2$ i taki sam wzór widnieje zarówno nad powierzchnią wody, jak i w wodzie, w kółkach symbolizujących bąbelki. Przepływ związku zilustrowano za pomocą trzech żółtych strzałek skierowanych w dół. Dodatkowo w wodzie widoczne są wzory ${\text{H}}_2\text{O}$ oraz ${\text{H}}_2{\text{CO}}_3$.

Tlenki, które reagują z wodą, tworząc odpowiednie kwasy tlenowe, nazywamy tlenkami kwasotwórczymi.

Jednak niektóre tlenki niemetali nie reagują z wodą. Tak się dzieje w przypadku chociażby ${\text{N}}_2\text{O}$ (tlenku azotu($\text{I}$)), $\text{NO}$ (tlenku azotu($\text{II}$)), $\text{SiO}$ (tlenku krzemu($\text{II}$)), ${\text{SiO}}_2$ (tlenku krzemu($\text{IV}$)) i $\text{CO}$ (tlenku węgla($\text{II}$)).

Podsumowanie

• Wzór ogólny kwasów tlenowych ma postać ${\mathbf{\text{H}}}_{\mathbf{\text{n}}}\mathbf{\text{R}}$, gdzie $\text{R}$ to tak zwana reszta kwasowa, w skład której wchodzą atomy tlenu oraz atom pierwiastka innego niż tlen i wodór (najczęściej niemetalu).

• Wartościowość reszty kwasowej jest równa liczbie atomów wodoru w cząsteczce rozpatrywanego kwasu.

• Nazwy kwasów tlenowych tworzy się, dodając do wyrazu „kwas” nazwę pierwiastka (stanowiącego w cząsteczce kwasu atom centralny) z końcówką
  „-owy”. Jeśli wspomniany pierwiastek może tworzyć kilka kwasów, w nazwie podaje się wartościowość atomów tego pierwiastka w analizowanym kwasie.

• Kwasy tlenowe powstają między innymi w wyniku reakcji niektórych tlenków niemetali z wodą. Dzięki zachodzącej reakcji chemicznej, atomy niemetali (w większości przypadków) nie zmieniają swojej wartościowości.

Słownik