Composti ternari: Ossiacidi ed Idrossidi

Composti ternari: Ossiacidi ed Idrossidi

Ossidi e anidridi reagiscono con l'acqua per dare due importanti classi di composti ternari, gli idrossidi e gli acidi ossigenati o ossiacidi, i quali oltre a contenere ossigeno contengono evidentemente anche idrogeno.

Gli acidi sono sostanze che, sciolte in acqua, tendono a dissociarsi in un anione e in uno o più ioni H

Gli idrossidi sono sostanze a carattere basico che, sciolte in acqua, tendono a dissociarsi in un catione e in uno o più anioni ossidrile OH

Un composto ternario che contenga idrogeno e ossigeno viene convenzionalmente scritto in modo diverso a seconda che presenti un carattere acido o basico.

Se si tratta di un acido vengono messi in evidenza gli atomi di idrogeno, scrivendo per primo l'idrogeno seguito dal simbolo chimico del non metallo X ed infine dall'ossigeno.

ACIDO                      H_nX_mO_l

se si tratta di un idrossido vengono messi in evidenza i gruppi ossidrili, scrivendo per primo il simbolo dell'elemento metallico Y seguito da tanti gruppi ossidrili racchiusi tra parentesi tonde, quanti ne richiede il numero di ossidazione 'n' del metallo.

IDROSSIDO                 Y(OH)_n

Alcuni composti possono comportarsi come acido o come base, a seconda delle condizioni di reazione. Sono detti composti anfoteri e la loro formula chimica può essere scritta come quella di un acido o come quella di un idrossido in realazione alla particolare comportamento che presentano in una data reazione.

Acidi

Gli acidi si formano sommando una o più molecole d'acqua ad un'anidride

Anidride + acqua = Acido

Il carattere acido di queste sostanze, cioè la loro tendenza a liberare ioni H⁺, è legato alla presenza   nella molecola di un non metallo, un elemento elettronegativo che attirando gli elettroni di legame li allontana dagli atomi di idrogeno. Sugli atomi di idrogeno si forma una parziale, ma intensa carica positiva che ne facilita la liberazione come ioni H⁺, una volta in acqua.

Il nome degli acidi si ottiene da quello dell'anidride corrispondente, sostituendo il termine 'acido' al termine 'anidride'

Per costruire un acido è sufficiente sommare all'anidride 2 atomi di idrogeno e 1 di ossigeno per ogni molecola d'acqua che viene aggiunta.

Ad esempio dall'anidride carbonica si ottiene l'acido carbonico

CO₂ + H₂O → H₂CO₃

mentre dall'anidride nitrica si ottiene l'acido nitrico

N₂O₅ + H₂O → H₂N₂O₆ → 2HNO₃

Forza di un acido

Un acido si dice forte quando in soluzione acquosa è completamente o quasi completamente dissociato in anioni e ioni H+, si dice debole quando è poco dissociato. La forza di un acido si può prevedere in linea di massima, osservando il numero di atomi di idrogeno e di ossigeno presenti nella sua molecola. Un acido può ritenersi forte quando la differenza tra il numero di atomi di ossigeno ed il numero di atomi di idrogeno è uguale o maggiore di due, debole in caso contrario. Così mentre l'acido carbonico è debole, l'acido nitrico è forte.

Dissociazione di un acido

Un acido con un solo atomo di idrogeno è detto monoprotico, con due biprotico etc.

Una acido monoprotico come l'acido nitrico si dissocia in acqua

HNO₃ → H⁺ + NO₃^-

un acido poliprotico presenta invece tante dissociazioni quanti sono gli atomi di idrogeno contenuti nella sua molecola. L'acido carbonico ad esempio può dare due dissociazioni

H₂CO₃ → H⁺ + HCO₃^-

HCO₃^- → H⁺ + CO₃^2-

Naturalmente è possibile scrivere l'intera dissociazione in forma sintetica

H₂CO₃ → 2H⁺ + CO₃^2-

Proviamo ora a costruire le formule dei principali ossiacidi gruppo per gruppo, tenendo presente che non tutte le reazioni che scriveremo tra anidride e acqua possono effettivamente avvenire. Esse ci servono unicamente per ottenere la formula corretta dei diversi acidi. Si tenga inoltre presente che non tutte le anidridi e non tutti gli acidi che scriveremo sono stati effettivamente isolati. Alcuni sono solo teorici e ci servono per poter poi costruire correttamente le formule dei composti salini che da essi derivano.

Il Cloro con i numeri di ossidazione +1, +3, +5 e +7 forma i seguenti acidi

Cl₂O + H₂O → H₂Cl₂O₂ → 2HClO acido ipocloroso (esiste solo in soluzione)

Cl₂O₃ + H₂O → H₂Cl₂O₄ → 2HClO₂ acido cloroso (esiste solo in soluzione)

Cl₂O₅ + H₂O → H₂Cl₂O₆ → 2HClO₃ acido clorico (esiste solo in soluzione)

Cl₂O₇ + H₂O → H₂Cl₂O₈ → 2HClO₄ acido perclorico

Il Bromo con i numeri di ossidazione +1 e +5 forma i seguenti acidi

Br₂O + H₂O → H₂Br₂O₂ → 2HBrO acido ipobromoso

Br₂O₅ + H₂O → H₂Br₂O₆ → 2HBrO₃ acido bromico

Lo Iodio con i numeri di ossidazione +1, +5 e +7 forma i seguenti acidi

I₂O + H₂O → H₂I₂O₂ → 2HIO acido ipoiodoso (teorico, esistono i suoi sali)

I₂O₅ + H₂O → H₂I₂O₆ → 2HIO₃ acido iodico

I₂O₇ + H₂O → H₂I₂O₈ → 2HIO₄ acido periodico

Lo zolfo con i numeri di ossidazione +4 e +6 forma i seguenti acidi

SO₂ + H₂O → H₂SO₃ acido solforoso (esiste solo in soluzione)

SO₃ + H₂O → H₂SO₄ acido solforico

Altri acidi dello zolfo

a partire dal protossido di zolfo con numero di ossidazione +2 si ottengono 2 diversi acidi

SO + H₂O → H₂SO₂ acido solfossilico (teorico, esistono i suoi sali)

2SO + H₂O → H₂S₂O₃ acido tiosolforico (teorico, esistono i suoi sali chiamati erroneamente iposolfiti). Il nome rimanda al fatto che la sua struttura chimica è analoga a quella dell'acido solforico, dove un atomo di ossigeno è stato sostituito da uno di zolfo (il radicale S^2- si indica con il suffisso tio-).

A partire dal sesquiossido di zolfo con nox +3 si ottiene

S₂O₃ +H₂O → H₂S₂O₄ acido iposolforoso (o idrosolforoso) (esiste solo in soluzione)

Per reazione tra due molecole di acido solforoso, con perdita di una molecola d'acqua si ottiene

2H₂SO₃ → H₂S₂O₅ +H₂O acido pirosolforoso (teorico, esistono solo i suoi sali)

Per reazione tra due molecole di acido solforico, con perdita di una molecola d'acqua si ottiene

2H₂SO₄ → H₂S₂O₇ +H₂O acido pirosolforico o disolforico

Lo zolfo presenta inoltre, con nox +6, due perossidi tipo acqua ossigenata, che sarebbe opportuno chiamare peranidridi, S₂O₇ e SO₄, le cui formule di struttura potrebbero essere

tali composti possono dare due peracidi o perossiacidi (acidi in cui è presente il gruppo O O

S₂O₇ + H₂O → H₂S₂O₈ acido dipersolforico     

SO₄ + H₂O → H₂SO₅     acido monopersolforico

Lo zolfo è infine in grado di dare legami S S simili a quelli dell'ossigeno nei perossidi, formando quindi dei persolfuri. Tale caratteristica è ancora più spiccata nello zolfo in quanto esso è in grado di dare anche catene formate da più atomi. Sono noti due persolfuri d'idrogeno: analogo all'acqua ossigenata esiste H S S H e anche H S S S H i due composti sono noti rispettivamente come:

H₂S₂ disolfuro d'idrogeno H₂S₃ trisolfuro d'idrogeno

Sfruttando lo stesso tipo di legame tra atomi zolfo si forma anche una famiglia di acidi politionici, di formula generale H₂S_xO₆, dove x = 2, 3, 4, 5,.. con formula di struttura

essi vengono denominati acido ditionico, tritionico, tetrationico etc.

Il Selenio con numeri di ossidazione +4 e +6 forma i seguenti acidi

SeO₂ + H₂O → H₂SeO₃ Acido selenioso

SeO₃ + H₂O → H₂SeO₄ Acido selenico

L'Azoto con i numeri di ossidazione +3 e +5 produce i seguenti acidi

N₂O₃ + H₂O → H₂N₂O₄ → 2HNO₂ acido nitroso

N₂O₅ + H₂O → H₂N₂O₆ → 2HNO₃ acido nitrico

Altri acidi dell'azoto

Facendo reagire l'acido nitrico con l'acqua ossigenata si ottiene un peracido o perossiacido (contenente il gruppo O O ), detto acido pernitrico, dove l'azoto presenta nox +5

HNO₃ + H₂O₂ T HNO₄ + H₂O

con formula di struttura                            

Facendo reagire l'anidride nitrosa con l'acido solforico si ottiene l'acido nitrosil-solforico (il suffisso nitrosil- indica la presenza del gruppo nitrosile NO)

N₂O₃ + 2H₂SO₄ T 2NOHSO₄ + H₂O

L'acido nitrosil-solforico può essere pensato come prodotto dalla disidratazione (perdita di acqua) tra una molecola di acido solforico ed una di acido nitroso

Il Fosforo con i numeri di ossidazione +3 e + 5 forma una serie di acidi che presentano diversi gradi di idratazione.

In particolare quando un'anidride si lega con una sola molecola d'acqua l'acido che ne deriva viene indicato facendone precedere il nome dal suffisso meta-.

Quando viene legata una seconda molecola d'acqua al meta-acido si forma un acido il cui nome viene preceduto dal prefisso orto-.

P₂O₃ + H₂O → H₂P₂O₄ → 2HPO₂ acido metafosforoso

HPO₂ + H₂O → H₃PO₃ acido ortofosforoso

P₂O₅ + H₂O → H₂P₂O₆ → 2HPO₃ acido metafosforico

HPO₃ + H₂O → H₃PO₄ acido ortofosforico

L'acido ortofosforoso, pur avendo 3 idrogeni, è biprotico, ne dissocia cioè solo due. Per questo motivo si ritiene che un idrogeno sia legato direttamente all'atomo di fosforo, piuttosto che ad un ossigeno.

Con il numero di ossidazione +5 il fosforo forma anche l'acido pirofosforico (o difosforico) il quale si forma per disidratazione (perdita di una molecola d'acqua) da due molecole di acido ortofosforico.

Per trovarne la formula in maniera più rapida e veloce è sufficiente aggiungere due molecole d'acqua all'anidride fosforica

P₂O₅ + 2H₂O → H₄P₂O₇ acido pirofosforico

Altri acidi del fosforo

Con il nox +5 il fosforo forma due peracidi o perossiacidi in cui è presente il gruppo O O

H₃PO₅, acido monoperfosforico e H₄P₂O₈, acido diperfosforico, con formule di struttura

Il tetrossido di fosforo P2O4, analogo all'ipoazotide, dove il fosforo presenta nox +4, sciolto in acqua forma una miscela di acido fosforoso e fosforico. Esiste comunque un acido in cui il fosforo presenta nox +4 e di cui il tetrossido rappresenta l'anidride teorica. E' l'acido ipofosforico H₄P₂O₆, la cui formula può essere ottenuta aggiungendo due molecole d'acqua al tetrossido.

Esiste infine anche un acido ipofosforoso H₃PO₂, in cui il fosforo presenta nox +1. Corrisponde ad un protossido di fosforo P₂O, non conosciuto.

L'Arsenico con i numeri di ossidazione +3 e +5 produce i seguenti acidi

As₂O₃ + H₂O → 2HAsO₂

HAsO₂ + H₂O → H₃AsO₃ acido ortoarsenioso (esiste solo in soluzione)

As₂O₅ + H₂O → 2HAsO₃

HAsO₃ + H₂O → H₃AsO₄ acido ortoarsenico

L'acido ortoarsenioso è un composto anfotero. In soluzioni basiche si comporta come un acido, mentre in soluzioni acide si comporta come una base, dissociandosi in ioni OH^- e cationi As³⁺. In tal caso esso va scritto come un idrossido arsenioso

As(OH)₃ → As³⁺ + 3OH^-

Esiste infine, analogamente a quanto visto per il fosforo, un acido piroarsenico, ottenibile per disidratazione di due molecole di acido ortoarsenico. La sua formula può essere determinata più facilmente sommando due molecole d'acqua all'anidride arsenica

As₂O₅ + 2H₂O → H₄As₂O₇ acido piroarsenico

Il Carbonio con il numero di ossidazione +4 forma l'acido carbonico

CO₂ + H₂O → H₂CO₃ acido carbonico (esiste solo in soluzione)

E' noto anche un peracido, l'acido percarbonico, H₂C₂O₆ dalla formula di struttura

Il Silicio con numero di ossidazione +4 forma due acidi

SiO₂ + H₂O → H₂SiO₃ acido metasilicico

H₂SiO₃ + H₂O → H₄SiO₄ acido ortosilicico

L'acido silicico dà poi per disidratazione una serie di acidi polisilicici, rappresentabili dalla formula generale (mH₄SiO₄ nH₂O). Il primo termine della serie è l'acido ortodisilicico o pirosilicico

2H₄SiO₄ → H₆Si₂O₇ + H₂O acido pirosilicico

Il Boro con nox +3 forma l'acido borico ed un peracido, l'acido perborico

B₂O₃ + H₂O → 2HBO₂ acido metaborico

HBO₂ + H₂O → H₃BO₃ acido ortoborico

l'acido perborico (o perossiborico) HBO₃, ha formula di struttura

Scaldando l'acido ortoborico si ottiene infine per disidratazione un poliacido

4H₃BO₃ → H₂B₄O₇ + 4H₂O acido tetraborico

PRINCIPALI ACIDI DEI GRUPPI B

Il Cromo (nox +2, +3, +6) forma composti acidi con il numero di ossidazione più elevato

CrO₃ + H₂O → H₂CrO₄ acido cromico (esiste solo in soluzione)

Trattando le soluzioni di acido cromico con acqua ossigenata si ottengono diversi tipi di peracidi, acidi percromici e i relativi sali (i percromati).

Esiste infine una serie di sali che derivano da acidi policromici (teorici), il primo termine della serie è l'acido bicromico

2H₂CrO₄ → H₂Cr₂O₇ + H₂O acido bicromico (teorico, esistono i suoi sali)

Il Manganese (nox +2, +3, +4, +6, +7) forma composti acidi con i due numeri di ossidazione più elevati

Con il nox + 6 forma un acido manganico (teorico), la cui formula è ottenibile da un'anidride manganica MnO₃, altrettanto teorica.

MnO₃ + H₂O → H₂MnO₄ acido manganico (teorico, esistono i suoi sali)

Mn₂O₇ + H₂O → H₂Mn₂O₈ T2HMnO₄ acido permanganico

Idrossidi

Gli idrossidi si formano sommando una o più molecole d'acqua ad un ossido

Ossido + acqua = Idrossido

Il carattere basico di queste sostanze, cioè la loro tendenza a liberare ioni OH^-, è legato alla presenza nella molecola di un metallo, che rende polare il legame con i gruppi ossidrilici. Sull'atomo di ossigeno dell'ossidrile si intensifica in tal modo la parziale carica negativa, mentre sul metallo si forma una parziale carica positiva che ne facilita la liberazione come catione, una volta in acqua, e la separazione dei gruppi OH^-.

Il nome degli idrossidi si ottiene da quello dell'ossido corrispondente, sostituendo il termine 'idrossido' al termine 'ossido'

Per costruire un idrossido è sufficiente far seguire al metallo tanti gruppi ossidrili quanti ne richiede il numero di ossidazione del metallo.

Ad esempio dall'ossido di potassio si ottiene l'idrossido di potassio

K₂O + H₂O → 2KOH

mentre dall'ossido di rame si ottiene l'idrossido di rame

CuO + H₂O → Cu(OH)₂

Forza di un idrossido

Un idrossido si dice forte quando in soluzione acquosa è completamente o quasi completamente dissociato in cationi e ioni OH^-, si dice debole quando è poco dissociato. La forza di un idrossido si può prevedere in linea di massima, osservando se il metallo appartenga o meno ad uno dei primi gruppi chimici. In linea di massima un idrossido è forte quando il metallo che lo forma è un metallo alcalino o alcalino-terroso. Così mentre l'idrossido di rame è debole, l'idrossido di potassio è forte.

Dissociazione di un idrossido

Un idrossido con un solo gruppo ossidrile è detto monoprotico, con due biprotico etc.

Un idrossido monoprotico come l'idrossido di potassio si dissocia in acqua

KOH → K⁺ + OH^-

un idrossido poliprotico presenta invece tante dissociazioni quanti sono i gruppi ossidrile contenuti nella sua molecola. L'idrossido di rame può dare due dissociazioni

Cu(OH)₂ → CuOH⁺ + OH^-

CuOH^- → Cu²⁺ + OH^-

Naturalmente è possibile scrivere l'intera dissociazione in forma sintetica

Cu(OH)₂ → Cu²⁺ + 2OH^-

Proviamo ora a costruire le formule dei principali ossiacidi gruppo per gruppo

I metalli alcalini hanno tutti nox +1 e quindi formano idrossidi del tipo LiOH, NaOH, KOH etc

I ma talli alcalino-terrosi hanno tutti nox +2 e formano quindi idrossidi del tipo Be(OH)₂, Mg(OH)₂ etc

I metalli del terzo gruppo A presentano tutti nox +3 e formano quindi idrossidi del tipo Al(OH)₃ etc

L'idrossido di alluminio è in realtà un composto anfotero.

In soluzione acida si comporta infatti come una base, mentre in soluzione basica si comporta come un acido (acido alluminico)

H₃AlO₃ → AlO₃^3- + 3H⁺

I metalli del quarto gruppo formano idrossidi con nox +2 e +4

Lo stagno con nox +2 forma l'idrossido stannoso Sn(OH)₂, avente carattere anfotero (acido stannoso, H₂SnO₂). Con nox +4 forma invece un composto a carattere acido

SnO₂ + H₂O → H₂SnO₃ acido stannico

Il Piombo, con nox +2 forma l'idrossido piomboso Pb(OH)₂, a carattere anfotero (acido piomboso H₂PbO₂). Con nox +4 forma l'idrossido piombico Pb(OH)₄, anch'esso anfotero (acido piombico H₄PbO₄).