ChemQ

50 min

Metody otrzymywania kwasów

Metody laboratoryjne i przemysłowe otrzymywania kwasów beztlenowych oraz tlenowych.

Teoria

Najważniejsze metody otrzymywania kwasów

Kwasy można otrzymywać na wiele sposobów, ponieważ prawie każdy z nich wymaga innego substratu i innych warunków. Kwasy beztlenowe są zwykle wodnymi roztworami gazowych wodorków niemetali, a kwasy tlenowe można otrzymywać między innymi z odpowiednich tlenków, soli albo w reakcjach utleniania.

W zadaniach najpierw ustal, czy chodzi o kwas beztlenowy czy tlenowy. Następnie sprawdź, skąd może pochodzić jego reszta kwasowa i co napędza reakcję: wydzielanie gazu, powstanie osadu, reakcja z wodą albo utlenianie i redukcja. Nie każda metoda jest uniwersalna, ale razem dobrze pokazują związki między klasami związków nieorganicznych.

1

Rozpuszczanie gazowego wodorku niemetalu w wodzie

Schemat 1

gazowy wodorek niemetalu + woda → roztwór kwasu beztlenowego

Przykłady

1. HCl(g) + H₂O → H₃O⁺ + Cl⁻

2. H₂S(g) ⇄ H₂S(aq) H₂S(aq) + H₂O ⇄ H₃O⁺ + HS⁻

Warunki, ograniczenia i dodatkowe informacje

  • Kwas beztlenowy jest wodnym roztworem odpowiedniego gazu.
  • W przypadku siarkowodoru najpierw gaz rozpuszcza się w wodzie, a następnie tylko częściowo dysocjuje.
2

Synteza gazowego wodorku z pierwiastków

Schemat 1

wodór + niemetal → gazowy wodorek

Przykłady

1. H₂ + Cl₂ → 2HCl↑

2. H₂ + S ⇄ H₂S↑

Warunki, ograniczenia i dodatkowe informacje

  • Chlorowodór otrzymuje się przez spalanie wodoru w chlorze. Reakcję inicjuje się zapłonem i prowadzi w kontrolowanych warunkach, ponieważ jest silnie egzotermiczna oraz może przebiegać gwałtownie.
  • Otrzymany gaz można następnie rozpuścić w wodzie.
3

Wypieranie lotnego kwasu z suchej soli przez stężony kwas siarkowy(VI)

Schemat 1

sucha sól + H₂SO₄(stęż.) → nowa sól + lotny kwas↑

Przykłady

1. NaCl(s) + H₂SO₄(stęż.) → NaHSO₄(s) + HCl↑

2. KNO₃(s) + H₂SO₄(stęż.) → KHSO₄(s) + HNO₃↑

Warunki, ograniczenia i dodatkowe informacje

  • Stężony kwas siarkowy(VI) jest mało lotny i termicznie trwały, dlatego może wypierać lotne kwasy z ich soli.
  • Reakcję prowadzi się bez nadmiaru wody.
  • Ta metoda nie nadaje się na przykład do czystego otrzymywania HBr lub HI, ponieważ stężony H₂SO₄ je utleni.
4

Otrzymywanie siarkowodoru z siarczków

Schemat 1

siarczek metalu + kwas nieutleniający → sól + H₂S↑

Przykłady

1. FeS + 2HCl → FeCl₂ + H₂S↑

2. Na₂S + 2HCl → 2NaCl + H₂S↑

Warunki, ograniczenia i dodatkowe informacje

  • Do tej reakcji stosuje się kwasy nieutleniające, na przykład rozcieńczony HCl.
  • Stężony H₂SO₄ i HNO₃ nie są odpowiednie, ponieważ utleniają siarczki albo powstający H₂S.
5

Reakcja tlenku kwasotwórczego z wodą

Schemat 1

tlenek kwasotwórczy + woda → kwas tlenowy

Przykłady

1. SO₃ + H₂O → H₂SO₄

2. P₄O₁₀ + 6H₂O → 4H₃PO₄

3. CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃

Warunki, ograniczenia i dodatkowe informacje

  • Stopień utlenienia atomu centralnego w tlenku i w kwasie pozostaje taki sam.
  • Nie każdy tlenek kwasowy reaguje jednak z wodą. Typowym przykładem jest tlenek krzemu(IV), SiO₂, który nie reaguje z wodą.
6

Reakcje soli prowadzące do powstania kwasu

Schemat 1

sól + kwas → nowa sól + kwas

Przykłady

1. Ca₃(PO₄)₂ + 3H₂SO₄ → 3CaSO₄↓ + 2H₃PO₄

2. Ba(NO₃)₂ + H₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2HNO₃

3. Na₂SiO₃ + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + H₂SiO₃↓

Warunki, ograniczenia i dodatkowe informacje

  • O przebiegu reakcji nie zawsze decyduje wyłącznie moc kwasów.
  • Często reakcję napędza powstanie osadu, gazu albo słabego, trudno rozpuszczalnego kwasu.
7

Utlenianie niemetali do kwasów tlenowych

Schemat 1

niemetal + utleniacz + woda → kwas tlenowy + produkt redukcji

Przykłady

1. 3P + 5HNO₃(rozc.) + 2H₂O → 3H₃PO₄ + 5NO↑

2. S + 6HNO₃(stęż.) → H₂SO₄ + 6NO₂↑ + 2H₂O

Warunki, ograniczenia i dodatkowe informacje

  • Są to reakcje redoks. Atom niemetalu zwiększa stopień utlenienia, a składnik utleniający ulega redukcji.
  • Nie należy traktować tego jako jednego uniwersalnego schematu: produkty silnie zależą od użytego utleniacza i warunków.
8

Przemysłowe otrzymywanie kwasu azotowego(V)

Schemat 1

amoniak + tlen → tlenki azotu → kwas azotowy(V)

Przykład 1

4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O

Schemat 2

I etap procesu Ostwalda

Przykład 2

4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O

Schemat 3

II etap procesu Ostwalda

Przykład 3

2NO + O₂ → 2NO₂

Schemat 4

III etap procesu Ostwalda

Przykład 4

3NO₂ + H₂O → 2HNO₃ + NO

Warunki, ograniczenia i dodatkowe informacje

  • Produkcja HNO₃ opiera się na procesie Ostwalda.
  • Pierwszy etap zachodzi w podwyższonej temperaturze na katalizatorze platynowo-rodowym. Powstający NO wraca do obiegu i ponownie utlenia się do NO₂.
9

Przemysłowe otrzymywanie kwasu siarkowego(VI)

Schemat 1

siarka → SO₂ → SO₃ → oleum → kwas siarkowy(VI)

Przykład 1

S + O₂ → SO₂

Schemat 2

I etap procesu kontaktowego

Przykład 2

S + O₂ → SO₂

Schemat 3

II etap procesu kontaktowego

Przykład 3

2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃

Schemat 4

III etap procesu kontaktowego

Przykład 4

SO₃ + H₂SO₄ → H₂S₂O₇

Schemat 5

IV etap procesu kontaktowego

Przykład 5

H₂S₂O₇ + H₂O → 2H₂SO₄

Warunki, ograniczenia i dodatkowe informacje

  • Produkcja H₂SO₄ przebiega w procesie kontaktowym. Utlenianie SO₂ do SO₃ prowadzi się zwykle na katalizatorze V₂O₅.
  • Tlenku siarki(VI) nie absorbuje się bezpośrednio w wodzie na skalę przemysłową, ponieważ tworzy się trudna do opanowania mgła kwasu siarkowego(VI).
10

Elektroliza roztworu soli

Schemat 1

roztwór odpowiedniej soli + woda → metal + tlen + kwas

Przykład 1

2CuSO₄ + 2H₂O → 2Cu↓ + O₂↑ + 2H₂SO₄

Warunki, ograniczenia i dodatkowe informacje

  • Reakcję prowadzi się w wodnym roztworze CuSO₄ z elektrodami obojętnymi. Przy katodzie wydziela się miedź, przy anodzie tlen, a jony siarczanowe(VI) pozostają w roztworze i tworzą kwas siarkowy(VI).
  • To szczególny przypadek, nie ogólna metoda otrzymywania każdego kwasu.