Ch - Kyseliny Autor: Mgr. Jaromír JUŘEK Kopírování a jakékoliv další využití výukového materiálu je povoleno pouze s uvedením odkazu na www.jarjurek.cz. VARIACE 1 Tento dokument byl kompletně vytvořen, sestaven a vytištěn v programu dosystem - EduBase. Více informací o programu naleznete na www.dosli.cz.
± Kyseliny Kyseliny Kyseliny jsou dvou- a víceprvkové sloučeniny. Je v nich vždy vázán vodík a kyselinotvorný prvek (např. chlor, síra, dusík, fosfor, uhlík). Ve většině případů je v kyselině vázán i kyslík. Společným znakem kyselin je schopnost odštěpovat ve vodném prostředí vodíkové kationty H +. Tyto kationty však nemohou existovat samostatně, vážou se na molekuly vody a vznikají oxoniové kationty H 3O +. Kyseliny, které ve vodném prostředí odštěpují vodíkový kationt z karboxylové skupiny -COOH, patří mezi organické kyseliny; ostatní kyseliny jsou anorganické. Většinu kyselin lze získat v bezvodném stavu jako kapalné nebo pevné krystalické látky. Některé kyseliny existují pouze ve vodném roztoku (např. kyselina chlorovodíková, kyselina uhličitá). Roztoky s velkou hodnotou hmotnostního zlomku kyseliny se nazývají koncentrované: např. koncentrovaná kyselina chlorovodíková, w(hcl) = 37 %, kyselina dusičná, w(hno 3) = 67 %, kyselina sírová, w(h 2SO 4) = 98 %. Rozlišují se také kyseliny silné, středně silné a slabé, a to podle toho, zda se při vhodném zředění vodou štěpí na ionty všechny molekuly kyseliny, část molekul nebo jen velmi málo molekul. Mezi silné kyseliny patří kyselina chlorovodíková, sírová a dusičná. Středně silnou kyselinou je kyselina fosforečná a velmi slabou kyselinou je kyselina uhličitá. Běžné organické kyseliny (např. citronová, octová nebo mravenčí) se počítají mezi slabé. Koncentrované anorganické a některé organické kyseliny jsou nebezpečné žíraviny! Názvy kyselin jsou dvouslovné. Skládají se z podstatného jména kyselina a z přídavného jména, které určuje typ kyseliny: Názvy anorganických a organických kyselin se tvoří rozdílným způsobem. Pro názvy anorganických kyselin pak platí jiná pravidla u bezkyslíkatých kyselin a jiná u kyselin kyslíkatých, které obsahují vázaný kyslík. Přídavné jméno názvu bezkyslíkaté kyseliny se tvoří přidáním zakončení -ová k příslušnému názvu sloučeniny kyselinotvorného prvku s vodíkem. Například od chlorovodíku HCl je odvozen název kyselina chlorovodíková, od fluorovodíku HF pak kyselina fluorovodíková, od sulfanu H 2S kyselina sulfanová. Přídavné jméno v názvu kyslíkatých kyselin se tvoří z názvu kyselinotvorného prvku a zakončení, které vyjadřuje oxidační číslo atomu tohoto prvku v kyselině (příklady uvádí tabulka). Vzorce nejvýznamnějších kyslíkatých kyselin si můžeme formálně odvodit ze vzorců příslušných oxidů kyselinotvorných prvků. (Stejně jako ve vzorcích oxidů, tak i ve vzorcích kyselin musí být součet hodnot oxidačních čísel atomů všech prvků roven nule.) Příklady formálního odvození vzorců kyslíkatých anorganických kyselin: 1 z 8
Kyselina chlorovodíková - roztok chlorovodíku ve vodě je bezbarvá těkavá kapalina. Jako silná kyselina se při dostatečném zředění ve vodném roztoku zcela štěpí na kationty vodíku a chloridové anionty: Malé množství kyseliny chlorovodíkové (w = 0,3 % až 0,4 %) se vyskytuje v žaludeční šťávě. Podílí se hlavně na "trávení" bílkovin z potravy. Pokud se však naruší na vnitřní straně žaludku speciální vrstva buněk, může způsobit onemocnění zvané žaludeční vředy. Kyselina chlorovodíková ze žaludeční šťávy může způsobit také "pálení žáhy". Technická kyselina bývá sloučeninami železa zbarvena dožluta. Prodává se pod starším označením kyselina solná. Zařízení i obaly, v nichž se kyselina přechovává, musí být z kyselinovzdorného materiálu (keramické materiály, PVC, polyethylen, sklo). Kyselina chlorovodíková se používá k výrobě různých organických látek (např. barviv, plastů), v textilním, koželužském a potravinářském průmyslu, k čištění plechů před smaltováním a letováním. 2 z 8
Vlastnosti kyseliny chlorovodíkové výrazně závisejí na hodnotě hmotnostního zlomku chlorovodíku v roztoku. Koncentrovaná kyselina na vzduchu dýmá, její páry dráždí dýchací cesty a dráždí pokožku (je silnou žíravinou). V některých státech se dodnes vyrábí spalováním vodíku v chloru. To probíhá ve dvou fázích: (1) Nejdříve se v peci do zvláštního hořáku přivádějí odděleněplynný vodík a chlor. Hořením plynů na konci hořáku vzniká plynný chlorovodík: (2) Plynný chlorovodík se rozpouští ve vodě, a vzniká tak kyselina chlorovodíková: Největší množství chlorovodíku se dnes získává při chloraci organických sloučenin, např. ethenu na vinylchlorid: Kyselina dusičná (lučavka) HNO 3 - je bezbarvá kapalina. Účinkem světla se rozkládá, vzniká oxid dusičitý, kterým se kyselina zbarvuje dožluta až hnědočervena. Proto se uchovává v tmavých lahvích. Koncentrovaná kyselina reaguje s většinou kovů, výjimkou je zlato a platina. Tyto kovy rozpouští jen lučavka královská (směs jednoho dílu koncentrované kyseliny dusičné a tří dílů koncentrované kyseliny chlorovodíkové). Dodává se jako koncentrovaná 67%. Je to silná kyselina, která se při dostatečném zředění ve vodném roztoku zcela štěpí na kationty vodíku a dusičnanové anionty: Kyselina dusičná je po kyselině sírové průmyslově nejvýznamnější anorganická kyselina. Používá se především k výrobě dusíkatých organických sloučenin (uplatňují se jako výbušniny - např. dynamit, Semtex; dále jako barvářské a farmaceutické suroviny, syntetická vlákna) a při výrobě dusíkatých průmyslových hnojiv (dusičnanů - ledků). Výroba kyseliny dusičné probíhá ve třech fázích: (1) Výchozí látkou je amoniak, který při zvýšené teplotě, tlaku a za přítomnosti katalyzátoru reaguje s kyslíkem. Touto reakcí vzniká oxid dusnatý: (2) Oxid dusnatý reaguje samovolně s kyslíkem a vzniká oxid dusičitý: (3) Reakcí oxidu dusičitého s vodou vzniká kyselina dusičná a oxid dusnatý (který se znovu vrací do výroby): Již alchymisté používali lučavku královskou. Vzniká smísením kyseliny dusičné a kyseliny chlorovodíkové (v poměru objemových dílů 1 : 3). Ta reaguje i se zlatem a platinou. Této reakce se ve zlatnictví využívá k "přečišťování zlata". 3 z 8
Kyselina sírová (vitriol) H 2 SO 4 - je bezbarvá olejovitá kapalina o velké hustotě. Je to silná kyselina, která se při dostatečném zředění ve vodném roztoku zcela štěpí, vznikají kationty vodíku a síranové anionty: Kyselina sírová má schopnost pohlcovat vodu (vodní páru i kapalnou vodu) a odštěpovat atomy vodíku a kyslíku (v poměru 2 : 1 jako ve vodě) z molekul organických látek. Například dřevo, papír, cukr a tkaniny ve styku s koncentrovanou kyselinou sírovou uhelnatí, na pokožce vznikají popáleniny, které se obtížně hojí. Při výrobě kyseliny sírové probíhají tři základní reakce: (1) Nejdříve se získává oxid siřičitý, nejčastěji spalováním síry: (2) V reaktoru s katalyzátorem (např. oxidem vanadičným) probíhá reakce oxidu siřičitého s kyslíkem a vzniká oxid sírový: (3) Oxid sírový se špatně rozpouští ve vodě, proto je pohlcován v koncentrované kyselině sírové. Vzniklá směs se nazývá oleum. Ředěním olea vodou vzniká kyselina sírová. Celkový průběh vystihuje rovnice: Zvláště nebezpečný je chybný postup při ředění koncentrované kyseliny. Kyselinu je nutné při zřeďování lít do vody a roztok promíchávat! Při styku vody s kyselinou totiž dochází k prudkému uvolnění tepla, kapalná voda se přeměňuje v páru a kyselinu rozstřikuje. Při práci s touto žíravinou používáme ochranné pomůcky (gumové rukavice a ochranný obličejový štít). Velice opatrně je třeba pracovat i s 32% roztokem této kyseliny, který se používá do olověných elektrických akumulátorů v automobilech. Kyselina sírová je průmyslově nejvýznamnější anorganická látka. Asi jedna polovina vyrobeného množství se využívá k získávání průmyslových hnojiv (superfosfátů). Uplatňuje se při čištění ropy a při zpracování dehtů, v textilním, papírenském a potravinářském průmyslu. Je nezbytnou chemikálií v laboratořích. Kyselina fosforečná (přesněji trihydrogenfosforečná) H 3 PO 4 - většinou se vyrábí jako 85% roztok, což je sirupovitá kapalina. Vyrábí se reakcí oxidu fosforečného s vodou nebo reakcí foforečnanů s kyselinou sírovou. Kyselina fosforečná se v nízkých koncentracích používá jako přísada do nealkoholických nápojů, zejména perlivých. Uplatňuje se rovněž při výrobě protikorozních nátěrů, léčiv a při výrobě zubních past (brusné a lešticí složky). Sloučeniny kyseliny fosforečné s organickými látkami v buňkách organismů mají zásadní význam pro život. Kyselina fosforečná vyrobená z přírodních fosforečnanů (apatitových surovin) se používá k výrobě rozpustného dihydrogenfosforečnanu vápenatého, který je hlavní složkou superfosfátu: Z ekologického hlediska je v poslední době velmi diskutována přítomnost fosforečnanů v pracích prášcích a změkčovačích vody. Donedávna tyto prostředky obsahovaly velké množství fosfátů (fosforečnanů). Jedná se 4 z 8
hlavně o trifosforečnan pentasodný Na 5P 3O 10. Trifosforečnanový anion velmi pevně váže ionty Ca 2+, které způsobují tvrdost vody. Tím ji změkčuje a zároveň zamezuje vzniku vodního kamene na povrchu topných těles. Když se fosforečnany z pracích prášků a dalších detergentů dostanou do odpadních vod a následně do vodních toků a rybníků, velmi intenzívně podporují růst řas a sinic. Při jejich přemnožení lidově říkáme, že "voda kvete", odborně hovoříme o eutrofizaci vody. Tyto organismy nejenže omezují rekreační koupání (způsobují např. různé alergie), ale vyčerpávají z vody kyslík, který je důležitý pro život dalších vodních organismů. Z tohoto důvodu se fosforečnany v pracích a čisticích prostředcích nahrazují tzv. zeolity. Jsou to přírodní hlinitokřemičitany, které také na sebe vážou vápenaté kationty, a tím změkčují vodu. Zeolity jsou vůči životnímu prostředí šetrnější. Kyselina uhličitá H 2 CO 3 - je velmi slabá kyselina a existuje jen ve vodném roztoku. Vzniká při rozpouštění malého množství oxidu uhličitého ve vodě. Je v nepatrné míře přítomna i v perlivých balených vodách, limonádách a pivu. Snadno se rozkládá na oxid uhličitý a vodu. Kyselina siřičitá H 2 SO 3 - existuje jen ve vodném roztoku. Vzniká při reakci oxidu siřičitého s vodou: Pokud je v atmosféře také oxid siřičitý (vznikající např. při spalování uhlí znečištěného sírou), reaguje se vzdušnou vlhkostí a k zemi padá ve formě kyselých dešťů i kyselina siřičitá. Kyselost a zásaditost vodných roztoků Kyselost nebo zásaditost vodných roztoků dovedli lidé určit již velmi dávno. Rozlišovali roztoky s chutí kyselou (kyselé roztoky) a roztoky s chutí hořkou, louhovitou (zásadité roztoky). Používali rovněž látky, které mají jinou barvu v kyselém, neutrálním a zásaditém roztoku (např. lakmus, který je v kyselém prostředí červený, v neutrálním fialový a v zásaditém modrý). Ve vodě je velice malé množství molekul rozštěpeno na stejný počet kationtů vodíku (přesněji oxoninových kationtů) a hydroxidových aniontů: Pokud koncentrace kationtů vodíku a hydroxidových aniontů zůstává v poměru 1 : 1 i po rozpuštění další látky ve vodě, je roztok neutrální. Jestliže se ve vodě zvětšuje koncentrace vodíkových kationtů (např. po přídavku kyseliny), zvětšuje se kyselost roztoku. Pokud se ve vodě rozpouští hydroxid, zvětšuje se koncentrace hydroxidových aniontů a zvětšuje se zásaditost roztoku. Kyselost a zásaditost roztoku mohou ovlivňovat i ionty vzniklé rozpouštěním solí. Některé ionty solí na sebe mohou vázat volné ionty H + nebo OH -, a tím měnit jejich vyrovnaný poměr. Například hydrogenuhličitan sodný (jedlá soda) uvolňuje do vodného roztoku ionty Na + a HCO - 3. Kationty sodné s hydroxidovými anionty nereagují, ale hydrogenuhličitanové anionty na sebe vážou kationty vodíku. V roztoku převažují volné ionty OH -, a roztok tudíž reaguje slabě zásaditě. K přesnějšímu určení kyselosti nebo zásaditosti vodných roztoků byla zavedena stupnice ph s hodnotami od 1 do 14. V této stupnici má neutrální roztok hodnotu ph = 7, kyselý roztok hodnotu ph < 7 a zásaditý roztok ph > 7. Látky, které obdobně jako lakmus mění svoji barvu v závislosti na hodnotě ph roztoku, jsou indikátory. 5 z 8
Udržení určité hodnoty ph prostředí má značný význam při chemických reakcích a je důležité pro životní děje v buňkách organismů. Hodnoty ph roztoků se přibližně určují podle barvy indikátorů a přesně se měří přístroji (ph-metry) Příklady přibližných hodnot ph různých látek, které známe z běžného života uvádí následující tabulka. Kyselé a zásadité roztoky spolu reagují. Při těchto reakcích kationty vodíku (oxionové ionty) reagují s anionty hydroxidovými, vzniká voda a uvolňuje se teplo: Jestliže se při reakci dosáhne stejné koncentrace obou reagujících iontů (ph = 7), vznikne neutrální roztok. Tato reakce kationtů vodíku s hydroxidovými anionty za vzniku vody se nazývá neutralizace. Kyselé roztoky lze neutralizovat zásaditými roztoky a naopak. Neutralizace se využívá například při zpracování surovin a při výrobě mnoha látek (např. solí), při úpravě odpadních vod, v laboratořích. Také podstata první pomoci při polití pokožky kyselinou nebo louhem spočívá v neutralizaci. Nejprve je však nutné žíravinu na pokožce důkladně omýt proudem vody a teprve pak použít předepsaný prostředek k neutralizaci. V tomto případě nelze silnou kyselinu neutralizovat silným hydroxidem a obráceně, protože by se poškození organismu zvětšilo. K tomuto účelu se při ošetření míst zasažených hydroxidy používají zředěné roztoky slabých kyselin (např. organických kyselin - kyseliny octové, citronové). Roztoky, které reagují slabě zásaditě (např. roztok hydrogenuhličitanu sodného - jedlé sody), se zase používají při ošetření míst zasažených kyselinami. Základní úlohy: Úloha č. 1: Vyberte správnou odpověď. Při polití pokožky kyselinou sírovou (např. z automobilového akumulátoru) poskytneme první pomoc: A. osušením suchým hadříkem a natřením mastí proti popáleninám, 6 z 8
B. omytím proudem vody a případně roztokem "jedlé" sody nebo mýdlovým roztokem a opět proudem vody, C. omytím proudem vody a roztokem kyseliny citronové nebo octem, D. neučiníme nic a odvedeme postiženého k lékaři. Úloha č. 2: Měřením jsme zjistili, že ph octa je 2,8, mléka 6,5, vína 3,1, piva 4,5, minerální vody 8,2. Určete, které roztoky jsou kyselé a které jsou zásadité. Úloha č. 3: Žaludeční šťáva zdravého člověka obsahuje asi 0,5 % kyseliny chlorovodíkové. Vyberte správný údaj o hodnotě ph této šťávy. A. ph < 7 B. ph = 7 C. ph > 7 Úloha č. 4: Na třech lahvičkách s bezbarvými kapalinami se uvolnily štítky. Na jednom štítku je napsáno 1% kyselina dusičná, na druhém destilovaná voda a na třetím 2% hydroxid draselný. Jak nejrychleji zjistíte, kam je opět správně nalepit? Úloha č. 5: Slovy vyjádřete, které chemické změny probíhají ve třech fázích výroby kyseliny sírové. Úloha č. 6: Určete správnou odpověď. Ve 100 g 20% kyseliny sírové je A. 20 g vody a 80 g kyseliny sírové, B. 60 g vody a 40 g kyseliny sírové, C. 80 g vody a 20 g kyseliny sírové, D. 80 cm 3 vody a 20 cm 3 kyseliny sírové. Úloha č. 7: Kterou běžně dostupnou a ne příliš drahou látkou lze zvýšit ph půdy na vaší zahrádce? Rozšiřující úlohy: Úloha č. 1: Které vzorce uvádí ve správném pořadí kyselinu sírovou a kyselinu siřičitou? A. H 2S, H 2SO 3 B. H 2SO 4, H 2SO 3 C. H 2SO 4, H 2SO 5 D. H 2SO 3, H 2SO 4 Úloha č. 2: K názvům sloučenin přiřaďte jejich vzorce. kyselina uhličitá Cu(OH) 2 kyselina bromovodíková HI hydroxid měďnatý HBrO 3 kyselina jodovodíková H 2CO 3 kyselina chlorečná HBr hydroxid železitý HClO 3 kyselina bromičná Mg(OH) 2 hydroxid hořečnatý Fe(OH) 3 U kyselin uveďte oxidační číslo kyselinotvorného prvku. U hydroxidů uveďte oxidační číslo kationtu kovového (zásadotvorného) prvku. Úloha č. 3: Pokud dobře znáte pojmy kyselost, zásaditost a ph, jistě snadno rozhodnete, zda jsou podtržené údaje správně, a případně je opravíte. 7 z 8
Kyselost a zásaditost roztoků se měří hodnotami ph v rozmezí 1 až 11. Neutrální prostředí je na stupnici uprostřed, proto také mořská voda a některé minerální vody, které mají hodnotu ph = 5,5, jsou neutrální. Krev a slzy člověka, které mají hodnotu ph kolem 7,3, jsou mírně kyselé. Pot člověka dosahuje hodnot 3,8 až 6,8 a je mírně kyselý až mírně zásaditý. Roztoky čisticích prostředků (detergentů) mívají obvykle hodnotu ph 9 až 10 a jsou také kyselé, což zvyšuje jejich čisticí schopnosti. Úloha č. 4: Nejvíce vodíkových kationtů H + (oxoniových kationtů H 3O + ) obsahuje roztok kyseliny o hodnotě ph A. 0,5, B. 1,5, C. 3,0, D. 4,0. 8 z 8
Obsah Kyseliny 1 22.4.2011 23:08:26 Vytištěno v programu dosystem - EduBase (www.dosli.cz)