Kyslíkaté kyseliny

Kyslíkaté kyseliny (oxokyseliny) jsou tříprvkové sloučeniny vodíku, kyslíku a jednoho dalšího prvku, kterému se říká centrální atom. Obecný vzorec je `\ce{H}_a\ce{X}\ce{O}_b`: kyselina sírová `\ce{H2SO4}`, dusičná `\ce{HNO3}`, uhličitá `\ce{H2CO3}`, fosforečná `\ce{H3PO4}`. Vodík má v nich vždy oxidační číslo I, kyslík −II a oxidační číslo centrálního atomu říká koncovka názvu. Součet oxidačních čísel musí dát nulu:

`\begin{gathered} \mathrm{H}^{\mathrm{I}}_{2}\,\mathrm{S}^{\mathrm{VI}}\,\mathrm{O}^{-\mathrm{II}}_{4} \\[4pt] 2\cdot(+1)+6+4\cdot(-2)=0 \end{gathered}`

Odtud plyne jednoduché pravidlo pro počet kyslíků: sečtěte vodíky a oxidační číslo centrálního atomu a vydělte dvěma. U kyseliny sírové `(2+6):2=4`.

Na rozdíl od bezkyslíkatých kyselin, jako je chlorovodíková `\ce{HCl}`, mají kyslíkaté kyseliny vodíky navázané na kyslík, ne na centrální atom (výjimkou je kyselina fosforitá `\ce{H3PO3}`, kde jeden vodík sedí přímo na fosforu, a proto je jen dvojsytná). Z toho se dá vyčíst, kolik vodíků kyselina odevzdá i jak je silná.

Tento článek ukazuje, jak kyslíkaté kyseliny vypadají, jak vznikají, jak sestavit vzorec a název i u kyselin s více vodíky (kyselina pentahydrogenjodistá `\ce{H5IO6}`) a podle čeho poznat silnou kyselinu od slabé. Samotné koncovky a bezkyslíkaté kyseliny podrobně vysvětluje článek Názvosloví kyselin.

Jak kyslíkatá kyselina vypadá

Uprostřed molekuly je centrální atom (síra, dusík, fosfor, chlor, jod...) a kolem něj kyslíky. Část kyslíků nese vodík, tvoří skupiny OH, ostatní jsou k centrálnímu atomu připojené dvojnou vazbou, =O. U běžných kyslíkatých kyselin platí, že kolik vodíků má vzorec, tolik je v molekule skupin OH:

Ve vzorci se to nepíše, vzorec `\ce{H2SO4}` jen sčítá atomy. Strukturu je ale dobré mít v hlavě kvůli dvěma věcem: vodíky z OH skupin kyselina ve vodě odevzdává (to je sytnost) a čím víc kyslíků bez vodíku, tím je kyselina silnější (to je síla kyselin).

Koncovky a oxidační čísla

Přídavné jméno v názvu je odvozené od centrálního prvku a jeho koncovka říká oxidační číslo. Pro kyseliny se používají tyto:

Oxidační číslo II se u kyselin prakticky nevyskytuje, a proto v tabulce chybí koncovka -natá. Počet vodíků v posledním sloupci se řídí pravidlem liché oxidační číslo jeden vodík, sudé dva, výjimkou jsou fosforečná, arseničná a boritá se třemi vodíky. Koncovky si můžete vyzkoušet v procvičování koncovek oxidačních čísel.

Jak napsat vzorec kyslíkaté kyseliny

Postup má čtyři kroky:

1. Napište značky prvků v pořadí H, centrální atom, O.
2. Z koncovky určete oxidační číslo centrálního atomu.
3. Určete počet vodíků: liché číslo jeden, sudé dva (pokud název neříká jinak, viz kyseliny s více vodíky).
4. Kyslíků je (vodíky + oxidační číslo) : 2.

Příklad 1: kyselina siřičitá

Koncovka -ičitá znamená oxidační číslo IV. Je sudé, takže vodíky jsou dva. Kyslíků je `(2+4):2=3`.

`\ce{H2SO3}`

Kontrola: `2\cdot(+1)+4+3\cdot(-2)=0`. Kyselina siřičitá má o jeden kyslík méně než sírová `\ce{H2SO4}`, protože síra v ní má o dvě oxidační čísla méně. Vzniká, když se oxid siřičitý `\ce{SO2}` rozpustí ve vodě.

Příklad 2: kyselina jodistá a pentahydrogenjodistá

Koncovka -istá znamená VII, liché číslo, jeden vodík. Kyslíků je `(1+7):2=4`:

`\text{kyselina jodistá}\quad \ce{HIO4}`

Kyselina pentahydrogenjodistá má stejný jod VII, jen název výslovně říká, že vodíků je pět (penta = 5). Kyslíků je `(5+7):2=6`:

`\text{kyselina pentahydrogenjodistá}\quad \ce{H5IO6}`

Kontrola: `5\cdot(+1)+7+6\cdot(-2)=0`. Tohle je ve skutečnosti ta kyselina, kterou si koupíte v lahvičce jako bílé krystaly. `\ce{HIO4}` vznikne, když z ní odejdou dvě molekuly vody: `\ce{H5IO6 -> HIO4 + 2H2O}`.

Jak určit název ze vzorce

Ze vzorce se oxidační číslo centrálního atomu spočítá jako dvakrát kyslíky minus vodíky. Podle výsledku vyberete koncovku. Pokud má vzorec jiný počet vodíků, než dává pravidlo liché/sudé, přidáte do názvu číslovku s hydrogen.

`\text{ox. číslo} = 2\cdot(\text{počet O}) - (\text{počet H})`

Příklad 3: pojmenujte `\ce{HClO3}` a `\ce{H6TeO6}`

`\ce{HClO3}`: `2\cdot 3-1=5`, chlor V, koncovka -ičná. Pět je liché a vodík je jeden, jak má být, takže jde o obyčejnou kyselinu chlorečnou (u chloru se píše -ečná, stejně jako fosforečná a bismutečná).

`\ce{H6TeO6}`: `2\cdot 6-6=6`, tellur VI, koncovka -ová. Šestka je sudá, základní tvar by měl dva vodíky (`\ce{H2TeO4}`), tady jich je šest (hexa = 6): kyselina hexahydrogentellurová.

Běžné kyseliny ze školních tabulek si ověříte v kalkulačkách kyselina z názvu na vzorec a ze vzorce na název, tvary s hydrogen- vypíše kalkulačka hydrogenkyselin a oxidační číslo v libovolném vzorci spočítá kalkulačka oxidačních čísel.

Kyseliny s více vodíky: hydrogen-

Některé prvky tvoří při stejném oxidačním čísle víc kyselin, které se liší počtem vodíků a kyslíků. Aby bylo jasné, která je která, uvede se počet vodíků v názvu číslovkovou předponou a slovem hydrogen (latinsky vodík): kyselina trihydrogenjodistá má tři vodíky. Číslovky jsou stejné jako jinde v chemii:

mono 1, di 2, tri 3, tetra 4, penta 5, hexa 6.

Tvary jedné kyseliny se vždy liší o molekulu vody, tedy o dva vodíky a jeden kyslík. Proto počet vodíků stoupá po dvou: u jodu VII jsou to 1, 3 a 5 vodíků, u telluru VI 2, 4 a 6. Lichý počet vodíků se sudým oxidačním číslem nedá dohromady celý počet kyslíků. Tvary, se kterými se ve škole setkáte:

U fosforečné a borité je to naopak: kyselina, které se běžně říká fosforečná, je `\ce{H3PO4}`, a když chcete zdůraznit počet vodíků, napíšete kyselina trihydrogenfosforečná. Tvar s jedním vodíkem `\ce{HPO3}` je kyselina hydrogenfosforečná. Starší učebnice používají předpony ortho- (víc vody, `\ce{H3PO4}`, `\ce{H5IO6}`) a meta- (méně vody, `\ce{HPO3}`, `\ce{HIO4}`).

Všechny tvary jedné kyseliny najednou vypíše kalkulačka hydrogenkyselin, podrobněji se jim věnuje článek Kyseliny s více vodíky.

Jak kyslíkaté kyseliny vznikají: oxid a voda

Většina kyslíkatých kyselin vzniká reakcí kyselinotvorného oxidu s vodou. Oxid daného prvku si vezme vodu a oxidační číslo centrálního atomu se přitom nemění: z oxidu sírového (síra VI) je kyselina sírová (síra VI).

`\begin{gathered} \ce{SO3 + H2O -> H2SO4} \\[4pt] \ce{SO2 + H2O -> H2SO3} \\[4pt] \ce{CO2 + H2O} \rightleftharpoons \ce{H2CO3} \\[4pt] \ce{N2O5 + H2O -> 2HNO3} \\[4pt] \ce{Cl2O7 + H2O -> 2HClO4} \\[4pt] \ce{P4O10 + 6H2O -> 4H3PO4} \end{gathered}`

Když oxid obsahuje dva atomy centrálního prvku (`\ce{N2O5}`, `\ce{Cl2O7}`), vzniknou dvě molekuly kyseliny. Kontrola je stejná jako u každé rovnice: na obou stranách musí být stejně atomů každého prvku. Ověřit to můžete v kalkulačce na vyčíslování rovnic. Jak se oxidy pojmenují, ukazuje článek Názvosloví oxidů.

Takhle vznikají i kyselé deště: oxid siřičitý z uhelných elektráren se ve vodě v oblacích mění na kyselinu siřičitou, která se dál oxiduje na sírovou, a oxidy dusíku z motorů na kyselinu dusičnou. A když otevřete perlivou vodu, je v ní trochu kyseliny uhličité z rozpuštěného `\ce{CO2}`.

Sytnost: kolik vodíků kyselina odevzdá

Ve vodě kyselina odštěpuje vodíkové kationty `\ce{H+}` ze svých OH skupin. Podle toho, kolik jich může odevzdat, je kyselina jednosytná (`\ce{HNO3}`, `\ce{HClO4}`), dvojsytná (`\ce{H2SO4}`, `\ce{H2CO3}`) nebo trojsytná (`\ce{H3PO4}`). Vícesytné kyseliny odevzdávají vodíky postupně a každý další odchází hůř než ten předchozí:

`\begin{gathered} \ce{H3PO4} \rightleftharpoons \ce{H+ + H2PO4-} \\[4pt] \ce{H2PO4-} \rightleftharpoons \ce{H+ + HPO4^2-} \\[4pt] \ce{HPO4^2-} \rightleftharpoons \ce{H+ + PO4^3-} \end{gathered}`

Každý mezistupeň je aniont, ze kterého vznikají soli. Z kyseliny fosforečné a sodíku tak mohou vzniknout tři soli: dihydrogenfosforečnan sodný `\ce{NaH2PO4}`, hydrogenfosforečnan sodný `\ce{Na2HPO4}` a fosforečnan sodný `\ce{Na3PO4}`. Náboj aniontu je vždy počet odevzdaných vodíků. Jak se soli pojmenují, vysvětluje článek Názvosloví solí, hydrogensoli převádí kalkulačka hydrogensolí.

Které kyslíkaté kyseliny jsou silné

Sílu kyslíkaté kyseliny odhadnete ze vzorce bez tabulek. Spočítejte, kolik kyslíků zbude, když od nich odečtete vodíky. To je počet kyslíků bez vodíku, tedy dvojných vazeb =O. Čím víc jich je, tím snáz kyselina vodík pustí:

Nejlépe je to vidět na řadě kyselin chloru. Kyselina chlorná `\ce{HClO}` je velmi slabá (právě ona dezinfikuje vodu v bazénu), chloritá `\ce{HClO2}` o něco silnější, chlorečná `\ce{HClO3}` silná a chloristá `\ce{HClO4}` patří k nejsilnějším kyselinám vůbec. S každým přidaným kyslíkem síla roste.

Pravidlo je odhad a jedna známá výjimka je kyselina uhličitá: podle vzorce `\ce{H2CO3}` by měla být slabá jako siřičitá, ale ve vodě se z oxidu uhličitého na kyselinu změní jen malá část, takže se chová jako mnohem slabší. Silná kyselina ve vodě zcela odevzdá (alespoň první) vodík a její pH je podle koncentrace nízké. Kolik přesně, spočítá kalkulačka pH kyselin a zásad.

Kyseliny, které se pravidlům vymykají

Ne každá kyselina s kyslíkem v názvu dostala koncovku z oxidačního čísla. Kyselina kyanatá `\ce{HOCN}` má vodík na kyslíku jako ostatní kyslíkaté kyseliny, ale název je odvozený od kyanidové skupiny `\ce{CN}`, ne od jednoho centrálního atomu. Její soli jsou kyanatany, třeba kyanatan draselný `\ce{KOCN}`. Neplést s kyselinou kyanovodíkovou `\ce{HCN}`, která kyslík nemá a je prudce jedovatá.

Podobně kyselina thiokyanatá `\ce{HSCN}` má síru místo kyslíku, takové kyseliny popisuje článek Thiokyseliny. A kyslík obsahují také organické kyseliny jako octová `\ce{CH3COOH}`, ty se ale pojmenovávají podle uhlíkového řetězce, viz procvičování karboxylových kyselin.

Časté chyby

• Kyslíky počítané z jednoho vodíku u sudého čísla. Kyselina sírová jako `\ce{HSO4}`: `1+6=7` a sedm se dvěma nedělí. Kdo dostane „půl kyslíku“, zapomněl, že sudé oxidační číslo chce dva vodíky.
• Siřičitá a sírová. Siřičitá je síra IV, `\ce{H2SO3}`, sírová síra VI, `\ce{H2SO4}`. A sirovodíková `\ce{H2S}` kyslík nemá vůbec.
• Hydrogen- bez číslovky tam, kde patří. V názvosloví je kyselina jodistá `\ce{HIO4}`. Vzorec `\ce{H5IO6}` nemá základní počet vodíků, a proto musí mít v názvu pentahydrogen-, i když se mu v laboratoři běžně říká jen kyselina jodistá.
• Počet vodíků po jedné. `\ce{H2IO4}` nebo `\ce{H4IO6}` neexistují, protože jod VII s dvěma vodíky dává `(2+7):2=4{,}5` kyslíku. Tvary jedné kyseliny se liší o `\ce{H2O}`, tedy o dva vodíky.
• Síla podle počtu vodíků. Víc vodíků neznamená silnější kyselinu. Rozhoduje počet kyslíků bez vodíku: trojsytná `\ce{H3PO4}` je slabší než jednosytná `\ce{HNO3}`.
• Chybějící dvojka v rovnici. `\ce{N2O5 + H2O}` nedává `\ce{HNO3}`, ale dvě molekuly, `\ce{2HNO3}`. Spočítejte dusíky na obou stranách.

Příklady k procvičení

`\begin{gathered} \ce{Cl2O7 + H2O -> 2HClO4} \\[4pt] \ce{SO2 + H2O -> H2SO3} \\[4pt] \ce{P4O10 + 6H2O -> 4H3PO4} \end{gathered}`

`\ce{H3PO4 + 3NaOH -> Na3PO4 + 3H2O}`

Kam dál

Náhodné kyseliny oběma směry s okamžitou kontrolou najdete v procvičování názvosloví kyselin, samotná oxidační čísla v procvičování oxidačních čísel. Kalkulačky kyselina z názvu na vzorec (běžné kyseliny ze školních tabulek) a tvary hydrogenkyselin ověří výsledek, ostatní skupiny jsou pohromadě v kalkulačkách chemického názvosloví. Značku prvku dohledáte v periodické tabulce.

Související články: Názvosloví kyselin (koncovky a bezkyslíkaté kyseliny), Názvosloví oxidů, Názvosloví solí a Thiokyseliny.