Matematika pro každého
Polykyseliny (přesněji izopolykyseliny) mají v molekule dva nebo více atomů téhož centrálního prvku. Vznikají spojením několika molekul obyčejné kyslíkaté kyseliny, při kterém se odštěpí voda, a v názvu dostanou číslovkovou předponu di-, tri-, tetra-. Peroxokyseliny mají místo jednoho atomu kyslíku peroxidovou skupinu `{-}\mathrm{O}{-}\mathrm{O}{-}` a předponu peroxo-. Koncovka a oxidační číslo centrálního atomu zůstávají v obou případech stejné jako u výchozí kyseliny:
`\begin{gathered} \text{kyselina sírová}\quad \ce{H2SO4} \\[6pt] \text{kyselina disírová}\quad \ce{H2S2O7} \\[6pt] \text{kyselina peroxosírová}\quad \ce{H2SO5} \end{gathered}`
Všechno tady stojí na obyčejných kyslíkatých kyselinách. Kdo umí z názvu kyseliny sírové napsat `\ce{H2SO4}`, zvládne i disírovou a peroxosírovou: nejdřív sestaví výchozí kyselinu a pak ji podle předpony upraví.
Jak polykyseliny vznikají
Dvě molekuly kyseliny sírové se mohou spojit přes kyslík. Z jedné odejde vodík, z druhé skupina OH, a ty dohromady dají molekulu vody. Na místě spoje zůstane kyslíkový můstek:
`\ce{2H2SO4 -> H2S2O7 + H2O}`
Tomuto spojování za odštěpení vody se říká kondenzace. Obě síry v kyselině disírové mají dál oxidační číslo VI, proto zůstává koncovka -ová, jen přibude předpona di- pro dva centrální atomy. Starší název je kyselina pyrosírová, ve sbírkách ho občas ještě potkáte.
Stejně se spojují i jiné kyseliny. Ze dvou molekul kyseliny fosforečné vznikne kyselina difosforečná, ze tří trifosforečná, ze dvou molekul kyseliny chromové kyselina dichromová. Každé další spojení odštěpí jednu molekulu vody, takže:
`\begin{gathered} \text{z } n \text{ molekul kyseliny} \\[6pt] \text{se odštěpí } n - 1 \text{ molekul vody} \end{gathered}`
Polykyselině, ve které se opakuje stejný centrální prvek, se říká izopolykyselina. Existují i heteropolykyseliny se dvěma různými centrálními prvky, třeba fosforem a wolframem, ty ale do středoškolského názvosloví nepatří.
Vzorec polykyseliny z názvu
Postup má tři kroky:
- Z koncovky určete oxidační číslo a napište výchozí kyselinu, jako v článku Kyslíkaté kyseliny.
- Vynásobte ji číslem z předpony (di- dvěma, tri- třemi, tetra- čtyřmi).
- Odečtěte o jednu molekulu vody méně, než kolik molekul jste spojili.
Příklad 1
Napište vzorec kyseliny difosforečné.
Koncovka -ečná patří oxidačnímu číslu V, výchozí kyselina je kyselina fosforečná `\ce{H3PO4}`. Předpona di- říká, že se spojily dvě molekuly, a tedy se odštěpila jedna molekula vody:
`\begin{gathered} \ce{2H3PO4 = H6P2O8} \\[6pt] \ce{H6P2O8 - H2O = H4P2O7} \end{gathered}`
Kyselina difosforečná je `\ce{H4P2O7}`. Kontrola oxidačním číslem: `4\cdot(+1) + 2\cdot 5 + 7\cdot(-2) = 0`, fosfor má opravdu V.
Příklad 2
Napište vzorec kyseliny trifosforečné.
Tři molekuly `\ce{H3PO4}` dají `\ce{H9P3O12}`, při dvou spojeních se odštěpí dvě molekuly vody:
`\ce{H9P3O12 - 2H2O = H5P3O10}`
Kyselina trifosforečná je `\ce{H5P3O10}`. Kontrola: `5 + 3\cdot 5 = 20`, a to je přesně `10\cdot 2` za deset kyslíků.
Systematický název s počtem vodíků
Krátké názvy jako difosforečná nebo disírová předpokládají vzorec z kondenzace. Systematický název počet vodíků uvádí, stejně jako u kyselin s více vodíky: `\ce{H4P2O7}` je kyselina tetrahydrogendifosforečná, `\ce{H2S2O7}` kyselina dihydrogendisírová. Z takového názvu se vzorec spočítá i bez kondenzace: kladná oxidační čísla se sečtou a vydělí dvěma, to je počet kyslíků.
To se hodí hlavně u kyseliny tetraborité, která pravidlu o vodě neodpovídá. Ze čtyř molekul kyseliny borité `\ce{H3BO3}` by vyšlo `\ce{H6B4O9}`, kyselina tetraboritá je ale `\ce{H2B4O7}`, systematicky dihydrogentetraboritá. Bor III čtyřikrát a dva vodíky dávají `2 + 4\cdot 3 = 14`, tedy sedm kyslíků. Tuhle kyselinu si zapamatujte podle boraxu, který je její sodnou solí.
Název polykyseliny ze vzorce
Obrácený směr je jednodušší, protože kondenzaci vůbec nepotřebujete. Stačí určit oxidační číslo centrálního atomu tak, jak to znáte: vodík +I, kyslík −II, součet nula. Jen pozor, centrálních atomů je víc, takže se jejich součet dělí jejich počtem.
Příklad 3
Pojmenujte kyselinu `\ce{H2S2O5}`.
`\begin{gathered} 2\cdot(+1) + 2x + 5\cdot(-2) = 0 \\[6pt] 2x = 8 \\[6pt] x = 4 \end{gathered}`
Síra IV má koncovku -ičitá, kyselina siřičitá. Ve vzorci jsou dvě síry, takže předpona di-: kyselina disiřičitá. Kontrola kondenzací: `\ce{2H2SO3 - H2O = H2S2O5}` sedí. Volná kyselina disiřičitá je nestálá, ale její soli, disiřičitany, se běžně používají (o nich níže).
Postup krok za krokem ukáže kalkulačka název kyseliny ze vzorce: zadejte do ní `\ce{H4P2O7}` nebo `\ce{H2B4O7}` a vypíše počet centrálních atomů, oxidační číslo, aniont i systematický název s počtem vodíků. Opačným směrem, z názvu polykyseliny na vzorec, zatím umí jen kyselinu dichromovou, u ostatních ji nahradí postup výše.
Dvě předpony se snadno spletou. Di- počítá centrální atomy, dihydrogen- vodíky. Kyselina disírová `\ce{H2S2O7}` má dvě síry, kyselina dihydrogenněco má dva vodíky a o počtu centrálních atomů neříká nic. A dithio- je ještě něco jiného, dva kyslíky vyměněné za síru, jak ukazuje článek Thiokyseliny.
Soli polykyselin
Aniont polykyseliny vznikne odtržením všech vodíků a má tolik záporných nábojů, kolik vodíků kyselina měla. Jmenuje se podle kyseliny s koncovkou -an a předpona zůstává: disíran, difosforečnan, dichroman. Sůl se pak skládá stejně jako každá jiná, viz Názvosloví solí.
| Kyselina | Aniont | Sůl, kterou potkáte |
|---|---|---|
| disírová `\ce{H2S2O7}` | disíran `\ce{S2O7^2-}` | disíran draselný `\ce{K2S2O7}` |
| disiřičitá `\ce{H2S2O5}` | disiřičitan `\ce{S2O5^2-}` | disiřičitan sodný `\ce{Na2S2O5}`, konzervant E 223 |
| difosforečná `\ce{H4P2O7}` | difosforečnan `\ce{P2O7^4-}` | difosforečnan sodný `\ce{Na4P2O7}`, E 450 |
| trifosforečná `\ce{H5P3O10}` | trifosforečnan `\ce{P3O10^5-}` | trifosforečnan sodný `\ce{Na5P3O10}`, E 451 |
| dichromová `\ce{H2Cr2O7}` | dichroman `\ce{Cr2O7^2-}` | dichroman draselný `\ce{K2Cr2O7}`, oranžový |
| tetraboritá `\ce{H2B4O7}` | tetraboritan `\ce{B4O7^2-}` | borax, dekahydrát tetraboritanu sodného `\ce{Na2B4O7 * 10H2O}` |
Nejčastěji se ve škole objeví dichroman draselný. Je to silné oxidační činidlo (v kyselém prostředí se chrom VI redukuje na chrom III, viz Redoxní reakce) a jeho oranžová barva ukazuje, jak spolu chromany a dichromany souvisejí. Žlutý chroman se v kyselém roztoku mění na oranžový dichroman, a to přesně tou kondenzací, o které je tento článek:
`\ce{2CrO4^2- + 2H+ -> Cr2O7^2- + H2O}`
Kyselina disírová je zase mezikrok výroby kyseliny sírové. Oxid sírový se v továrně nezavádí přímo do vody, vznikla by mlha drobných kapiček kyseliny. Pohlcuje se v kyselině sírové a vzniklé oleum se teprve pak ředí vodou:
`\begin{gathered} \ce{H2SO4 + SO3 -> H2S2O7} \\[6pt] \ce{H2S2O7 + H2O -> 2H2SO4} \end{gathered}`
Peroxokyseliny
Předpona peroxo- znamená, že jeden kyslík `{-}\mathrm{O}{-}` výchozí kyseliny je nahrazený peroxidovou skupinou `{-}\mathrm{O}{-}\mathrm{O}{-}`. Ve vzorci tedy přibude jeden kyslík a nic jiného se nezmění, ani koncovka:
`\begin{gathered} \text{sírová } \ce{H2SO4} \ \to\ \text{peroxosírová } \ce{H2SO5} \\[6pt] \text{disírová } \ce{H2S2O7} \ \to\ \text{peroxodisírová } \ce{H2S2O8} \end{gathered}`
V kyselině peroxodisírové nahradila skupina `{-}\mathrm{O}{-}\mathrm{O}{-}` právě kyslíkový můstek mezi sírami, jak ukazuje obrázek nahoře. Stejně se tvoří kyselina peroxofosforečná `\ce{H3PO5}` z fosforečné a peroxodifosforečná `\ce{H4P2O8}` z difosforečné.
Proč se koncovka nemění
Dva kyslíky peroxidové skupiny jsou vázané na sebe navzájem, a proto mají oxidační číslo −I, stejně jako v peroxidu vodíku `\ce{H2O2}` nebo v peroxidech. Kdo s tím počítá, dostane u síry v kyselině peroxosírové obvyklé VI:
`\begin{gathered} 2\cdot(+1) + x + 3\cdot(-2) + 2\cdot(-1) = 0 \\[6pt] x = 6 \end{gathered}`
Kdo by všech pět kyslíků počítal za −II, vyšlo by mu `x = 8`, a to u síry nejde: víc než VI mít nemůže, je v VI.A (16.) skupině. Takový výsledek je spolehlivý signál, že ve vzorci je peroxoskupina.
Tím se dá peroxokyselina poznat i ze vzorce. Spočítejte oxidační číslo, jako by všechny kyslíky měly −II. Vyjde-li víc, než prvek může mít, je ve vzorci peroxidová skupina: každá přidá k takto spočítanému součtu oxidačních čísel centrálních atomů 2 navíc. Pro `\ce{H3PO5}` vyjde fosfor VII místo nejvyššího V, rozdíl 2, jedna peroxoskupina, kyselina peroxofosforečná. Stejně postupuje kalkulačka oxidačních čísel ve vzorci: zadejte do ní `\ce{H2SO5}` nebo `\ce{K2S2O8}` a v postupu uvidíte, proč dva kyslíky dostaly −I.
Soli peroxokyselin
Aniont se tvoří stejně jako u výchozí kyseliny, jen s předponou: peroxosíran `\ce{SO5^2-}`, peroxodisíran `\ce{S2O8^2-}`. Peroxodisíran draselný `\ce{K2S2O8}` a amonný `\ce{(NH4)2S2O8}` jsou silná oxidační činidla, amonnou sůl znají elektrotechnici z leptání plošných spojů a kadeřníci z přípravků na zesvětlení vlasů. Hydrogenperoxosíran draselný `\ce{KHSO5}` je účinná látka bezchlorových přípravků na čištění bazénů.
Časté chyby
- Zapomenutá voda. Dvakrát `\ce{H2SO4}` je `\ce{H4S2O8}`, ne kyselina disírová. Kondenzace vždy odštěpí vodu: `\ce{H2S2O7}`.
- Změněná koncovka. Spojení molekul ani peroxoskupina oxidační číslo nemění. Z kyseliny sírové je disírová a peroxosírová, nikdy „disiřičitá“ ani „peroxosiřičitá“: kyselina disiřičitá je jiná látka, z kyseliny siřičité.
- Všechny kyslíky za −II. V peroxokyselině mají dva kyslíky −I. Kdo to přehlédne, dostane síru VIII nebo fosfor VII, což u těchto prvků nejde.
- Di- místo dihydrogen-. Kyselina disírová má dvě síry, ne dva vodíky navíc. Počet vodíků říká předpona hydrogen-, viz Kyseliny s více vodíky.
- Peroxokyselina a peroxid. Peroxid je dvouprvková sloučenina se skupinou `\ce{O2^2-}`, třeba peroxid sodný `\ce{Na2O2}`. Peroxokyselina je kyslíkatá kyselina, ve které peroxoskupina nahradila jeden kyslík. A perkarbonát z prášku na praní není peroxouhličitan, ale uhličitan sodný s navázaným peroxidem vodíku, `\ce{2Na2CO3 * 3H2O2}`.
- Tetraboritá podle pravidla o vodě. Ze čtyř `\ce{H3BO3}` by vyšlo `\ce{H6B4O9}`, kyselina tetraboritá je `\ce{H2B4O7}`.
Příklady k procvičení
Zkuste si nejdřív každý příklad sami, řešení se ukáže po kliknutí. Obyčejné kyseliny, ze kterých se tu vychází, si zopakujete v procvičování názvosloví kyselin.
1. Napište vzorce: kyselina dichromová, kyselina disiřičitá.
Kyselina chromová (chrom VI) je `\ce{H2CrO4}`. Dvě molekuly bez jedné vody: `\ce{H4Cr2O8 - H2O}` je `\ce{H2Cr2O7}`.
Kyselina siřičitá (síra IV) je `\ce{H2SO3}`. Dvě molekuly bez jedné vody: `\ce{H4S2O6 - H2O}` je `\ce{H2S2O5}`.
2. Pojmenujte kyseliny `\ce{H2S2O7}` a `\ce{H6Si2O7}`.
`\ce{H2S2O7}`: `2 + 2x - 14 = 0`, `x = 6`, síra VI, kyselina sírová. Dvě síry: kyselina disírová (systematicky dihydrogendisírová).
`\ce{H6Si2O7}`: `6 + 2x - 14 = 0`, `x = 4`, křemík IV, kyselina křemičitá. Dva křemíky: kyselina dikřemičitá (systematicky hexahydrogendikřemičitá). Kontrola: `\ce{2H4SiO4 - H2O = H6Si2O7}` sedí.
3. Napište vzorec kyseliny peroxodifosforečné a určete oxidační číslo fosforu.
Kyselina difosforečná je `\ce{H4P2O7}` (příklad 1). Peroxo- přidá jeden kyslík: `\ce{H4P2O8}`.
Šest kyslíků má −II, dva peroxidové −I:
`\begin{gathered} 4 + 2x - 12 - 2 = 0 \\[6pt] x = 5 \end{gathered}`
Fosfor má V, stejně jako v kyselině fosforečné.
4. Pojmenujte soli `\ce{K2Cr2O7}`, `\ce{Na2S2O5}` a `\ce{K2S2O8}`.
`\ce{Cr2O7^2-}` je aniont kyseliny dichromové: dichroman draselný.
`\ce{S2O5^2-}`: `2x - 10 = -2`, síra IV, aniont kyseliny disiřičité: disiřičitan sodný.
`\ce{S2O8^2-}`: kdyby všech osm kyslíků mělo −II, vyšla by síra VII, což nejde. Je tu tedy peroxoskupina a síra má VI, aniont kyseliny peroxodisírové: peroxodisíran draselný.
5. Spolužák určil, že v kyselině peroxosírové `\ce{H2SO5}` má síra oxidační číslo VIII, a proto by se kyselina měla jmenovat jinak. Kde udělal chybu?
Počítal všech pět kyslíků za −II. Dva z nich ale tvoří peroxidovou skupinu `{-}\mathrm{O}{-}\mathrm{O}{-}` a mají −I:
`2 + x - 6 - 2 = 0,\ x = 6`
Síra má VI, proto kyselina peroxosírová. Že je VIII špatně, se dalo poznat hned: síra je v VI.A (16.) skupině a víc než VI mít nemůže.
6. Oleum s 35,63 g kyseliny disírové se zředí vodou, až všechna kyselina disírová zreaguje na kyselinu sírovou. Kolik gramů kyseliny sírové vznikne? Počítejte s `A_r(\ce{H}) = 1{,}008`, `A_r(\ce{S}) = 32{,}06`, `A_r(\ce{O}) = 16{,}00`.
Rovnice: `\ce{H2S2O7 + H2O -> 2H2SO4}`.
`\begin{aligned} M(\ce{H2S2O7}) &= 2\cdot 1{,}008 + 2\cdot 32{,}06 \\ &\quad + 7\cdot 16{,}00 \\[4pt] &= 178{,}14\ \mathrm{g/mol} \end{aligned}`
`n = \dfrac{35{,}63}{178{,}14} \doteq 0{,}200\ \mathrm{mol}`
Z jednoho molu kyseliny disírové vzniknou dva moly kyseliny sírové, tedy `0{,}400\ \mathrm{mol}`.
`M(\ce{H2SO4}) = 2\cdot 1{,}008 + 32{,}06 + 4\cdot 16{,}00 \doteq 98{,}08\ \mathrm{g/mol}`
`m = 0{,}400\cdot 98{,}08 \doteq 39{,}23\ \mathrm{g}`
Vznikne asi 39,2 g kyseliny sírové. Kontrola zákonem zachování hmotnosti: kyselina disírová zreagovala s `0{,}200\cdot 18{,}02 \doteq 3{,}60\ \mathrm{g}` vody a `35{,}63 + 3{,}60 = 39{,}23`. Jak se počítá s moly, ukazuje článek Molární hmotnost a látkové množství.
Kam dál
- Název kyseliny ze vzorce: pojmenuje i polykyselinu, třeba `\ce{H4P2O7}` nebo `\ce{H2B4O7}`, s postupem a systematickým názvem.
- Oxidační čísla ve vzorci: spočítá je u polykyselin i peroxokyselin a jejich solí a v postupu ukáže, kdy ve vzorci musí být peroxoskupina.
- Procvičování: názvosloví kyselin a názvosloví solí.
- Články: Kyslíkaté kyseliny, Kyseliny s více vodíky, Thiokyseliny a Názvosloví solí.