Acizi
Acțiunea acizilor asupra indicatorilor
Reacția dintre acizi și baze
Reacția dintre un acid și un oxid bazic
Reacția dintre un acid și o sare
Reacția dintre un acid și un metal
Ionizarea acizilor
Reacția dintre acizi și baze
Reacția dintre un acid și un oxid bazic
Reacția dintre un acid și o sare
Reacția dintre un acid și un metal
Ionizarea acizilor
Structură
Teoria disocierii electrolitice
Conform teoriei acido-bazice a lui Svante A. Arrhenius, numită și teoria disociației electrolitice, un acid este orice substanță care conține în moleculă hidrogen și care la disocierea în soluție apoasă pune în libertate ca ioni pozitivi numai ioni de hidrogen, H+:
\(HR\rightleftharpoons H^++R^-\)\(HR\rightleftharpoons H^++R^-\)
De exemplu:
- acidul clorhidric: \(HCl\rightleftharpoons H^++Cl^-\)
- acidul sulfuric: \(H_2SO_4\rightleftharpoons 2H^++SO_4^2-\)
- acidul fosforic: \(H_3PO_4\rightleftharpoons 3H^++PO_4^3-\)
\(HCl + H_2O\rightleftharpoons Cl^-+H_3O^+\)
Teoria disocierii electrolitice este limitată la reacții care au loc în apă. Cu timpul s-a observat că mulți alți compuși se comportă ca acizi și ca baze chiar dacă nu e prezentă apa. În 1923, doi chimiști, Thomas Lowry din Anglia și Johannes Brønsted din Danemarca, au ajuns independent și aproape simultan la definiții ale acizilor și bazelor care nu implică apa - ei au observat că proprietatea esențială a unei reacții acido-bazice este transferul unui ion de hidrogen, H+ (proton) de la o specie (acidul) la alta (baza). Conform teoriei acido-bazice Brønsted-Lowry, numită și teoria protolitică, un acid este o substanță care poate dona un proton (ion de hidrogen, H+), deci este un donor de protoni. Conform teoriei protolitice sunt considerați acizi și compuși precum ionul hidroniu, H3O+, ionul amoniu, NH4+, ionul carbonat acid, HCO3-.
Conform teoriei lui Arrhenius, HCl este un acid pentru că soluția lui apoasă conține ionul H3O+, ceea ce indică (eronat) faptul că un acid ar putea exista independent de prezența unei baze în soluție. Examinată din perspectiva teoriei protolitice, reacția
\(HCl + H_2O\rightarrow H_3O^+ + Cl^-\)
este o reacție acido-bazică pentru că un proton este transferat de la HCl (acidul) la H2O (baza).
este o reacție acido-bazică pentru că un proton este transferat de la HCl (acidul) la H2O (baza).
O dată ce o substanță a funcționat ca un donor de protoni, are potențialul de a accepta un proton (adică de a se comporta ca o bază) de la un alt donor de protoni. De exemplu, ionii acetat sunt produși prin reacția:
\(CH_3COOH + NH_3\rightarrow CH_3COO^- + NH_4^+\)
Ionul acetat poate acum să se comporte ca o bază, acceptând un proton de la un acid adecvat:
\(CH_3COO^- + HNO_3\rightarrow CH_3COOH + NO_3^-\)
\(CH_3COO^- + HNO_3\rightarrow CH_3COOH + NO_3^-\)
Clasificare
După compoziția lor, acizii se pot clasifica în hidracizi și oxoacizi (sau acizi oxigenați)
Hidracizii sunt acizi binari, în care hidrogenul protonic este legat direct de un atom central, X - H; hidracizii conțin unul sau mai mulți atomi de hidrogen și un atom de nemetal.
Exemple de hidracizi:
După compoziția lor, acizii se pot clasifica în hidracizi și oxoacizi (sau acizi oxigenați)
Hidracizii sunt acizi binari, în care hidrogenul protonic este legat direct de un atom central, X - H; hidracizii conțin unul sau mai mulți atomi de hidrogen și un atom de nemetal.
Exemple de hidracizi:
- acid clorhidric, HCl
- acid bromhidric, HBr
- acid sulfhidric, H2S
- acid selenhidric, H2Se.
Exemple de oxoacizi:
- acid carbonic, H2CO3
- acid azotic, HNO3
- acid azotos, HNO2
- acid fosforic, H3PO4
- acid percloric, HClO4.
- acidul fosforic: \(2H_3PO_4\rightarrow P_2O_5+3H_2O\)
- acidul sulfuros: \(H_2SO_3\rightarrow SO_2+H_2O\)
După numărul de atomi de hidrogen înlocuibili din moleculă, acizii se pot clasifica în acizi monobazici sau acizi monoprotici, dibazici sau acizi diprotici, tribazici sau acizi triprotici. De exemplu, acidul clorhidric, HCl, este un acid monobazic (monoprotic); acidul fosforic, H3PO4, este un acid tribazic (triprotic).
Radicali acizi
Moleculele oxoacizilor conțin atomul caracteristic sau central (adică al elementului de la care derivă acidul) și atomii de oxigen grupați împreună. Acești atomi rămân grupați la fel în reacțiile chimice care au loc în soluții. De exemplu, în reacția dintre acidul azotic și hidroxidul de potasiu
\(HNO_3+KOH\rightarrow KNO_3+H_2O\)
atomii de azot și oxigen rămân grupați ca NO3 atât în acidul azotic, HNO3, cât și în azotatul de potasiu, KNO3; grupa de atomi NO3 se comportă ca și când ar fi un singur element.
Grupele de atomi ale unor elemente diferite, care se mențin neschimbate în reacții chimice, comportându-se ca un singur element, se numesc radicali. Prin urmare, NO3 este un radical, și deoarece face parte dintr-un acid este un radical acid.
Legându-se de un atom de element monovalent, radicalul NO3 este un radical monovalent. Radicalul acid SO4, care se găsește în acidul sulfuric, H2SO4, sau în sulfați, M2ISO4, este un radical bivalent. Radicalul acid PO4, care se găsește în molecula de acid fosforic, H3PO4, și de fosfați, M3IPO4, este un radical trivalent.
Acidul sulfuric poate da două tipuri de radicali, și anume: radicalul bivalent SO4 și radicalul monovalent HSO4. Tot așa, acidul fosforic poate da trei tipuri de radicali, și aume: radicalul trivalent PO4, radicalul bivalent HPO4 și radicalul monovalent H2PO4. Ei intră în compoziția sărurilor rezultate prin înlocuirea cu un metal, a 3, 2, sau 1 atomi de hidrogen din acid. Deci, valența unui radical acid este egală cu numărul atomilor de hidrogen care pot fi înlocuiți de un metal.
Formula generală
Hidracizii, având molecula alcătuită din hidrogen și un nemetal, au formula generală HnX, unde n = 8-nr. grupei din care face parte nemetalul, iar X reprezintă un nemetal la stare de oxidare minimă. În moleculă, atomii de hidrogen sunt direct legați de atomul de nemetal, în concordanță cu valența acestuia.
Oxoacizii, având molecula alcătuită din hidrogen și un radical acid, au formula generală HR, unde R reprezintă radicalul acid, sau, mai detaliat, HnXOy, unde X este un nemetal la stare de oxidare maximă sau intermediară.
Formulele acizilor se scriu în ordinea următoare: întâi se scrie hidrogenul (componentul electropozitiv), apoi elementul central și la urmă oxigenul (de exemplu H2SO4 sau HNO3).
Pentru scrierea formulelor de structură ale oxoacizilor se ține cont de faptul că, în moleculă, atomii de oxigen și grupele -OH sunt fixate de atomul central cu valențele respective.
Nomenclatura
Hidracizii au numele format din numele elementului central căruia i s-a adăugat terminația hidric. De exemplu, HCl, acidul clorhidric; H2S, acidul sulfhidric.
Oxoacizii au numele format din numele elementului central căruia i s-a adăugat terminația ic. De exemplu, H2CO3, acid carbonic; H2SO4, acid sulfuric.
De obicei, la acizii oxigenați al căror nume este format în acest mod, gradul de oxidare al atomului central are valoare maximă, corespunzătoare poziției elementului în sistemul periodic. Excepție fac acizii elementelor clor, brom, iod, la care numele format după regula generală îl au acizii derivați de la elementul cu grad de oxidare cinci; HClO3, acidul cloric, HBrO3, acid bromic, HIO3, acidul iodic. Acidul derivat de la clorul cu grad de oxidare șapte, HClO4, se numește acid percloric (uneori, prefixul per se folosește în locul prefixului peroxo pentru a indica prezența grupei peroxo, -O-O-, într-un compus, de exemplu Na-O-O-Na, peroxidul de sodiu). Acidul derivat de la iodul cu grad de oxidare șapte, H5IO6, se numește acid periodic (acidul periodic are două forme: acidul metaperiodic, cu formula HIO4, și acidul ortoperiodic, cu forumla H5IO6). De la bromul cu grad de oxidare șapte nu se cunoaște un acid.
Prin pierdere de apă, unii acizi pot trece în alți acizi, fără ca numărul de oxidare al atomului central să se schimbe. Numele acestor acizi menține sufixul ic, diferențierea de acidul inițial fiind indicată de un prefix. Prefixele orto și meta se folosesc pentru a diferenția acizii după "conținutul de apă". De exemplu:
Nomenclatura
Hidracizii au numele format din numele elementului central căruia i s-a adăugat terminația hidric. De exemplu, HCl, acidul clorhidric; H2S, acidul sulfhidric.
Oxoacizii au numele format din numele elementului central căruia i s-a adăugat terminația ic. De exemplu, H2CO3, acid carbonic; H2SO4, acid sulfuric.
De obicei, la acizii oxigenați al căror nume este format în acest mod, gradul de oxidare al atomului central are valoare maximă, corespunzătoare poziției elementului în sistemul periodic. Excepție fac acizii elementelor clor, brom, iod, la care numele format după regula generală îl au acizii derivați de la elementul cu grad de oxidare cinci; HClO3, acidul cloric, HBrO3, acid bromic, HIO3, acidul iodic. Acidul derivat de la clorul cu grad de oxidare șapte, HClO4, se numește acid percloric (uneori, prefixul per se folosește în locul prefixului peroxo pentru a indica prezența grupei peroxo, -O-O-, într-un compus, de exemplu Na-O-O-Na, peroxidul de sodiu). Acidul derivat de la iodul cu grad de oxidare șapte, H5IO6, se numește acid periodic (acidul periodic are două forme: acidul metaperiodic, cu formula HIO4, și acidul ortoperiodic, cu forumla H5IO6). De la bromul cu grad de oxidare șapte nu se cunoaște un acid.
Prin pierdere de apă, unii acizi pot trece în alți acizi, fără ca numărul de oxidare al atomului central să se schimbe. Numele acestor acizi menține sufixul ic, diferențierea de acidul inițial fiind indicată de un prefix. Prefixele orto și meta se folosesc pentru a diferenția acizii după "conținutul de apă". De exemplu:
H3BO3 - acid ortoboric (HBO3)n - acizi metaborici
H4SiO4 - acid ortosilicic (HSiO) - acizi metasilicici
H4SiO4 - acid ortosilicic (HSiO) - acizi metasilicici
Prefixul piro se folosește pentru a indica un acid format din două molecule ale unui ortoacid, minus o moleculă de apă. De exemplu H2S2O7 - acid pirosulfuric, provenit din două molecule de acid sulfuric:
\(2H_2SO_4\rightarrow H_2S_2O_7+H_2O\)
Acizii la care atomul central are numărul de oxidare mai mic (cu 2) decât în acizii obișnuiți (cei cu numele terminat în ic), au numele format prin adăugarea sufixului os la numele elementului. De exemplu:
- acidul cloros: \(H\overset{+3}{Cl}O_2\)
- acidul azotos: \(H\overset{+3}{N}O_2\)
- acidul fosforos: \(H_3\overset{+3}{P}O_3\)
- acidul hipocloros: \(H\overset{+1}{Cl}O\)
- acidul hipofosforos: \(H_3\overset{+1}{P}O_2\)
Acizii sunt substanțe gazoase sau lichide. La încălzire, oxoacizii se descompun în apă și anhidrida respectivă. Descompunerea variază cu stabilitatea acidului; astfel, acidul carbonic sau acidul sulfuros se descompun ușor, pe când acidul sulfuric sau acidul azotic nu se descompun decât la temperaturi înalte.
Acizii sunt solubili în apă. Soluțiile de acizi prezintă o serie de proprietăți caracteristice:
a) Acțiunea acizilor asupra indicatorilor:
Schimbarea culorii indicatorilor este o proprietate caracteristică tuturor soluțiilor de acizi. Acizii pot fi recunoscuți după culoarea pe care o ia indicatorul în prezența lor:
- soluția de turnesol se colorează în roșu
- soluția de metiloranj devine portocaliu-roz
- soluția de fenolftaleină rămâne incoloră.
Acizii pot reacționa cu bazele formând o sare și apă. De exemplu, reacția dintre acidul clorhidric și hidroxidul de sodiu:
\(HCl+NaOH\rightarrow NaCl+H_2O\)
Din perspectiva teoriei disociației electrolitice (a lui S. A. Arrhenius), oricare acid conține ioni de hidrogen și oricare bază conține ioni de hidroxid, astfel că formarea apei are loc întotdeauna când un acid reacționează cu o bază:
\(H^++OH^-\rightarrow H_2O\), mai exact, \(H_3O^++OH^-\rightarrow 2H_2O\)
Reacția dintre un acid și o bază în urma căreia rezultă apă și o sare se numește reacție de neutralizare. Forma generală a reacției de neutralizare este:
\(\underset{acid}{HR}+\underset{baza}{M^IOH}\rightarrow \underset{sare}{M^IR}+\underset{apa}{H_2O}\)
Dacă toți atomii de hidrogen ai unui acid au intrat în reacție cu toate grupele hidroxid ale unei baze, se spune că acidul este saturat de către bază. În mod corespunzător, și o bază poate fi saturată de către un acid. Cantitățile de acid și bază care se saturează reciproc se numesc echivalente între ele. Astfel, un mol de HCl este echivalent cu un mol de NaOH, sau un mol de Ca(OH)2 este echivalent cu doi moli de HCl. Se înțelege că acizii și bazele în cantități echivalente între ele conțin atomi de hidrogen și grupe hidroxid în număr egal.
c) Reacția dintre un acid și un oxid bazic:
Acizii pot reacționa cu oxizii bazici formând o sare și apă. De exemplu, în urma reacției între acidul sulfuric și oxidul de cupru rezultă sulfatul de cupru și apă:
c) Reacția dintre un acid și un oxid bazic:
Acizii pot reacționa cu oxizii bazici formând o sare și apă. De exemplu, în urma reacției între acidul sulfuric și oxidul de cupru rezultă sulfatul de cupru și apă:
\(H_2SO_4+CuO\rightarrow CuSO_4+H_2O\)
d) Reacția dintre un acid și o sare:
Între unii acizi și anumite săruri pot avea loc reacții de dublu schimb și rezultă o altă sare și un alt acid. Astfel, în urma reacției dintre acidul sulfuric și azotatul de sodiu rezultă sulfatul de sodiu și acidul azotic:
\(H_2SO_4+2NaNO_3\rightarrow Na_2SO_4+2HNO_3\)
e) Reacția dintre un acid și un metal:
Înlocuirea hidrogenului din molecula acizilor se poate face nu numai cu metalul din molecula bazei, ci și cu un metal în stare liberă. Însă, înlocuirea hidrogenului poate fi realizată numai cu un metal mai activ decât hidrogenul. De exemplu, acidul sulfuric reacționează cu zincul, reacție din care rezultă hidrogen și sulfat de zinc:
\(H_2SO_4+Zn\rightarrow ZnSO_4+H_2\)
f) Ionizarea acizilor:
Proprietățile caracteristice ale acizilor în soluție apoasă sunt datorate prezenței ionilor de hidroniu. Un acid este cu atât mai tare cu cât concentrația acestor ioni în soluție, la o diluție dată, este mai mare, adică cu cât acidul este mai puternic disociat.
Acizii tari, cum sunt acizii clohidric și azotic, sunt practic complet disociați în ionii lor. Tăria acizilor slabi depinde de gradul lor de disociere. Prin urmare, o măsură a tăriei unui acid este dată de constanta de echilibru:
Proprietățile caracteristice ale acizilor în soluție apoasă sunt datorate prezenței ionilor de hidroniu. Un acid este cu atât mai tare cu cât concentrația acestor ioni în soluție, la o diluție dată, este mai mare, adică cu cât acidul este mai puternic disociat.
Acizii tari, cum sunt acizii clohidric și azotic, sunt practic complet disociați în ionii lor. Tăria acizilor slabi depinde de gradul lor de disociere. Prin urmare, o măsură a tăriei unui acid este dată de constanta de echilibru:
\(\frac{[H_3O^+][R^-]}{[HR][H_2O]}=K\)
Cum într-o soluție diluată concentrația apei de la numitor este o constantă (aprox. 55 mol/L), ea poate fi inclusă în constanta de echilibru:
\(\frac{[H_3O^+][R^-]}{[HR]}=K_a\)
Constanta Ka, caracteristică unui acid, este numită constantă de aciditate sau constantă de ionizare.
Ionizarea succesivă a acizilor poliprotici (polibazici)
Acizii poliprotici conțin în moleculă mai mulți atomi de hidrogen pe care îi pot pierde. Acești protoni sunt desprinși de molecula acidului în mod succesiv (în trepte), astfel încât există un număr de etape de ionizare, corespunzător numărului de protoni ce pot fi desprinși din molecula acidului. De exemplu, pentru cele două etape de ionizare ale acidului sulfuric, constantele de ionizare corespunzătoare sunt:
etapa 1: \(H_2SO_4+H_2O\rightleftharpoons H_3O^++HSO_4^-\; \; \; \; \; \; \; \; \; \; K_1=\frac{[H_3O^+][HSO_4^-]}{[H_2SO_4]}\approx 10^3\)
etapa 2: \(HSO_4^-+H_2O\rightleftharpoons H_3O^++SO_4^{2-}\; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; K_2=\frac{[H_3O^+][SO_4^{2-}]}{[HSO_4^-]}=1,2\cdot 10^{-2}\)
Similar, pentru cele trei etape de ionizare ale acidului fosforic, constantele de ionizare corespunzătoare sunt:
etapa 1: \(H_3PO_4+H_2O\rightleftharpoons H_3O^++H_2PO_4^-\; \; \; \; \; \; \; \; \; \; K_1=\frac{[H_3O^+][H_2PO_4^-]}{[H_3PO_4]}=7,5\cdot 10^{-3}\)
etapa 2: \(H_2PO_4^-+H_2O\rightleftharpoons H_3O^++HPO_4^{2-}\; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; K_2=\frac{[H_3O^+][HPO_4^{2-}]}{[H_2PO_4^-]}=6,2\cdot 10^-8\)
etapa 3: \(HPO_4^{2-+}H_2O\rightleftharpoons H_3O^++PO_4^{3-}\; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; K_3=\frac{[H_3O^+][PO_4^{3-}]}{[HPO_4^{2-}]}=4,8\cdot 10^-13\)
Valorile constantelor de ionizare succesivă ale acizilor poliprotici, K1, K2, K3, descresc în raporturile 1 : 10-5 : 10-10.
Explicația tendinței descrescânde ca protonul să se desprindă în ionizări succesive constă în faptul că în prima etapă, protonul (care are sarcină pozitivă) se desprinde dintr-o moleculă neutră, pe când în celelalte etape, el se desprinde dintr-un ion cu sarcină negativă din ce în ce mai mare. Din cauza atracției electrostatice, îndepărtarea protonului devine deci din ce în ce mai anevoioasă în etape succesive.
Disociația în trepte a acizilor poliprotici explică formarea sărurilor acide.
Valorile constantelor de aciditate se determină experimental prin măsurarea pH-ului soluțiilor de acizi.
Metode generale de obținere
Acizii pot fi preparați prin diferite metode:
a) Combinarea cu apă a unor oxizi acizi. De exemplu, acidul fosforic rezultă din combinarea cu apă a pentaoxidului de fosfor:
\(P_2O_5+3H_2O\rightarrow 2H_3PO_4\)
b) Acțiunea unui acid asupra unei sări. Reacția de dublu schimb se poate nota după forma generală:
\(\underset{acid}{HR_1}+\underset{sare}{MR_2}\rightleftharpoons \underset{acid}{HR_2}+\underset{sare}{MR_1}\)
R1 și R2 reprezintă radicalii acizi monovalenți
Procesul este de obicei reversibil. Pentru ca reacția să se desfășoare într-un singur sens trebuie să se îndepărteze unul dintre produsele de reacție din amestecul de reacție. Aceasta se poate realiza în mai multe moduri:
1. Acidul rezultat este volatil sau se descompune ușor într-o anhidridă acidă volatilă și apă. De exemplu, dacă peste azotat de potasiu se toarnă acid sulfuric concentrat se formează acid azotic și sulfat acid de potasiu:
1. Acidul rezultat este volatil sau se descompune ușor într-o anhidridă acidă volatilă și apă. De exemplu, dacă peste azotat de potasiu se toarnă acid sulfuric concentrat se formează acid azotic și sulfat acid de potasiu:
\(KNO_3+H_2SO_4\rightarrow HNO_3+KHSO_4\)
Acidul azotic fiind volatil se degajă din amestecul de reacție și poate fi separat.
Similar, dacă peste carbonat de calciu se toarnă acid clorhidric rezultă acid carbonic care se descompunde imediat în dioxid de carbon și apă:
\(CaCO_3+2HCl\rightarrow CaCl_2+\underbrace{CO_2+H_2O}\)
2. Acidul rezultat este greu solubil. De exemplu, pentru obținerea acidului silicic, respectiv a gelului de bioxid de siliciu, se tratează o soluție de silicat de sodiu cu acid clorhidric.
c) Combinarea directă a hidrogenului cu nemetalul este o metodă generală de preparare a hidracizilor. De exemplu, sinteza acidului clorhidric din hidrogen și clor este o metodă aplicată industrial:
\(H_2+Cl_2\rightarrow 2HCl\)