Οξυοξύ

Να μην συγχέεται με τα κετοξέα, επίσης γνωστά ως οξοκαρβοξυλικά οξέα, τα οποία είναι ένας τύπος οξοξέος.

Ένα οξυοξύ (oxyacid), οξοοξύ (oxoacid) ή τριμερές οξύ (ternary acid) είναι ένα οξύ που περιέχει οξυγόνο. Συγκεκριμένα, είναι μια ένωση που περιέχει υδρογόνο, οξυγόνο και τουλάχιστον ένα άλλο χημικό στοιχείο, με τουλάχιστον ένα άτομο υδρογόνου συνδεδεμένο με οξυγόνο που μπορεί να διασπαστεί για να παράξει το κατιόν υδρογόνου H⁺ και το ανιόν του οξέος.

Περιγραφή

Στην αρχική θεωρία του Λαβουαζιέ, όλα τα οξέα περιείχαν οξυγόνο. Αργότερα ανακαλύφθηκε ότι ορισμένα οξέα, κυρίως το υδροχλωρικό οξύ, δεν περιείχαν οξυγόνο και έτσι τα οξέα χωρίστηκαν σε οξοξέα και σε αυτά τα νέα υδροξέα (hydroacids). Όλα τα οξυοξέα έχουν το όξινο υδρογόνο συνδεδεμένο με ένα άτομο οξυγόνου, επομένως η ισχύς του δεσμού (μήκος) δεν είναι παράγοντας, όπως συμβαίνει με τα δυαδικά μη μεταλλικά υδρίδια. Μάλλον, η ηλεκτραρνητικότητα του κεντρικού ατόμου και ο αριθμός των ατόμων οξυγόνου καθορίζουν την οξύτητα του οξυοξέος. Για τα οξυοξέα με το ίδιο κεντρικό άτομο, η ισχύς του οξέος αυξάνεται με τον αριθμό των ατόμων οξυγόνου που συνδέονται με αυτό. Με τον ίδιο αριθμό ατόμων οξυγόνου συνδεδεμένα σε αυτό, η ισχύς του οξέος αυξάνεται με την αύξηση της ηλεκτραρνητικότητας του κεντρικού ατόμου. Σε σύγκριση με τα άλατα των αποπρωτονιωμένων μορφών τους (μια κατηγορία ενώσεων γνωστών ως οξυανιόντα (oxyanions)), τα οξυοξέα είναι γενικά λιγότερο σταθερά και πολλά από αυτά υπάρχουν μόνο τυπικά ως υποθετικά είδη ή υπάρχουν μόνο σε διάλυμα και δεν μπορούν να απομονωθούν σε καθαρή μορφή. Υπάρχουν διάφοροι γενικοί λόγοι για αυτό: (1) μπορεί να συμπυκνωθούν για να σχηματίσουν ολιγομερή (π.χ., H₂CrO₄ σε H₂Cr₂O₇), ή να αφυδατωθούν σε όλη την οδό για να σχηματίσουν τον ανυδρίτη (π.χ., H₂CO₃ σε CO₂), (2) μπορεί να αυτοξειδοαναχθούν σε μια ένωση υψηλότερης και μια άλλη χαμηλότερης κατάστασης οξείδωσης (π.χ., HClO₂ προς HClO και HClO₃), ή (3) μπορεί να υπάρχουν σχεδόν εξ ολοκλήρου ως άλλη, πιο σταθερή ταυτομερή μορφή (π.χ. το φωσφορικό οξύ P(OH)₃ υπάρχει σχεδόν εξ ολοκλήρου ως φωσφονικό οξύ HP(=O)(OH)₂). Ωστόσο, το υπερχλωρικό οξύ (HClO₄), το θειικό οξύ (H₂SO₄) και το νιτρικό οξύ (HNO₃) είναι μερικά κοινά οξυοξέα που παρασκευάζονται σχετικά εύκολα ως καθαρές ουσίες. Τα ιμιδικά οξέα (Imidic acids) δημιουργούνται αντικαθιστώντας το =O με =NR σε ένα οξυοξύ.

Ιδιότητες

Ένα μόριο οξυοξέος περιέχει τη δομή X−O−H, όπου άλλα άτομα ή ομάδες ατόμων μπορούν να συνδεθούν με το κεντρικό άτομο X. Σε ένα διάλυμα, ένα τέτοιο μόριο μπορεί να διαχωριστεί σε ιόντα με δύο διακριτούς τρόπους:

• X−O−H ⇌ (X−O)⁻ + H⁺
• X−O−H ⇌ X⁺ + OH⁻

Εάν το κεντρικό άτομο Χ είναι έντονα ηλεκτραρνητικό, τότε έλκει έντονα τα ηλεκτρόνια του ατόμου του οξυγόνου. Σε αυτήν την περίπτωση, ο δεσμός μεταξύ των ατόμων οξυγόνου και υδρογόνου είναι αδύναμος και η ένωση ιονίζεται εύκολα με τον τρόπο της πρώτης από τις δύο παραπάνω χημικές εξισώσεις. Σε αυτήν την περίπτωση, η ένωση XOH είναι οξύ γιατί απελευθερώνει ένα πρωτόνιο, δηλαδή ένα ιόν υδρογόνου. Για παράδειγμα, το άζωτο, το θείο και το χλώριο είναι έντονα ηλεκτραρνητικά στοιχεία και επομένως το νιτρικό οξύ, το θειικό οξύ και το υπερχλωρικό οξύ είναι ισχυρά οξέα. Εάν, ωστόσο, η ηλεκτραρνητικότητα του Χ είναι χαμηλή, τότε η ένωση διαχωρίζεται σε ιόντα σύμφωνα με την τελευταία χημική εξίσωση και το XOH είναι ένα αλκαλικό υδροξείδιο. Παραδείγματα τέτοιων ενώσεων είναι το υδροξείδιο του νατρίου NaOH και το υδροξείδιο του ασβεστίου Ca(OH)₂. Λόγω της υψηλής ηλεκτραρνητικότητας του οξυγόνου, ωστόσο, οι περισσότερες από τις κοινές οξοβάσεις, όπως το υδροξείδιο του νατρίου, ενώ είναι ισχυρά βασικές στο νερό, είναι μόνο μέτρια βασικές σε σύγκριση με άλλες βάσεις. Για παράδειγμα, το pKa του συζυγούς οξέος του υδροξειδίου του νατρίου, το νερό, είναι 14,0, ενώ το αμίδιο του νατρίου, η αμμωνία, είναι πιο κοντά στο 40, καθιστώντας το υδροξείδιο του νατρίου πολύ πιο αδύναμη βάση από το αμίδιο του νατρίου. Εάν η ηλεκτραρνητικότητα του Χ είναι κάπου στο ενδιάμεσο, η ένωση μπορεί να είναι αμφοτερική και στην περίπτωση αυτή μπορεί να διασπαστεί σε ιόντα και με τους δύο τρόπους. Στην πρώτη περίπτωση όταν αντιδρά με βάσεις και στη δεύτερη περίπτωση όταν αντιδρά με οξέα. Παραδείγματα αυτού περιλαμβάνουν τις αλειφατικές αλκοόλες, όπως αιθανόλη. Τα ανόργανα οξυοξέα έχουν τυπικά έναν χημικό τύπο H_mXO_n, όπου το X είναι ένα άτομο που λειτουργεί ως κεντρικό άτομο, ενώ οι παράμετροι m και n εξαρτώνται από την κατάσταση οξείδωσης του στοιχείου X. Στις περισσότερες περιπτώσεις, το στοιχείο X είναι ένα αμέταλλο, αλλά ορισμένα μέταλλα, για παράδειγμα χρώμιο και μαγγάνιο, μπορούν να σχηματίσουν οξυοξέα όταν εμφανίζονται στην υψηλότερη κατάσταση οξείδωσης. Όταν τα οξυοξέα θερμαίνονται, πολλά από αυτά διασπώνται σε νερό και στον ανυδρίτη του οξέος. Στις περισσότερες περιπτώσεις, τέτοιοι ανυδρίτες είναι οξείδια αμετάλλων. Για παράδειγμα, το διοξείδιο του άνθρακα, CO₂, είναι ο ανυδρίτης του ανθρακικού οξέος, H₂CO₃, και το τριοξείδιο του θείου, SO₃, είναι ο ανυδρίτης του θειικού οξέος, H₂SO₄. Αυτοί οι ανυδρίτες αντιδρούν γρήγορα με το νερό και σχηματίζουν ξανά αυτά τα οξυοξέα. Πολλά οργανικά οξέα, όπως τα καρβοξυλικά οξέα και οι φαινόλες, είναι οξυοξέα. Η μοριακή τους δομή, ωστόσο, είναι πολύ πιο περίπλοκη από αυτή των ανόργανων οξυοξέων. Τα περισσότερα από τα οξέα που συναντώνται συνήθως είναι οξυοξέα. Πράγματι, τον 18ο αιώνα, ο Λαβουαζιέ υπέθεσε ότι όλα τα οξέα περιέχουν οξυγόνο και ότι το οξυγόνο προκαλεί την οξύτητά τους. Εξαιτίας αυτού, έδωσε σε αυτό το στοιχείο το όνομά του, οξυγόνο, που προέρχεται από τα ελληνικά και σημαίνει γεννώ οξυγόνο, το οποίο εξακολουθεί να χρησιμοποιείται, σε λίγο πολύ τροποποιημένη μορφή, στις περισσότερες γλώσσες. Αργότερα, ωστόσο, ο Χάμφρι Ντέιβι έδειξε ότι το υδροχλωρικό οξύ δεν περιείχε οξυγόνο, παρά το γεγονός ότι ήταν ένα ισχυρό οξύ. Αντίθετα, είναι ένα διάλυμα υδροχλωρικού οξέος, HCl.. Τέτοια οξέα που δεν περιέχουν οξυγόνο είναι σήμερα γνωστά ως υδροξέα.

Ονομασίες ανόργανων οξυοξέων

Πολλά ανόργανα οξυοξέα ονομάζονται παραδοσιακά με ονόματα που τελειώνουν με τη λέξη οξύ και περιέχουν επίσης, σε κάπως τροποποιημένη μορφή, το όνομα του στοιχείου που περιέχουν πέρα από το υδρογόνο και το οξυγόνο. Γνωστά παραδείγματα τέτοιων οξέων είναι το θειικό οξύ, το νιτρικό οξύ και το φωσφορικό οξύ. Αυτή η πρακτική είναι πλήρως εδραιωμένη και η IUPAC έχει αποδεχτεί τέτοια ονόματα. Υπό το πρίσμα της τρέχουσας χημικής ονοματολογίας, αυτή η πρακτική αποτελεί εξαίρεση επειδή οι συστηματικές ονομασίες των ενώσεων σχηματίζονται σύμφωνα με τα στοιχεία που περιέχουν και τη μοριακή τους δομή και όχι σύμφωνα με άλλες ιδιότητες (για παράδειγμα, την οξύτητα) που έχουν. Πράγματι, τα οξέα μπορούν να ονομαστούν με ονόματα που σχηματίζονται προσθέτοντας τη λέξη υδρογόνο μπροστά από το αντίστοιχο ανιόν. Για παράδειγμα, το θειικό οξύ θα μπορούσε εξίσου καλά να ονομαστεί υδρογόνο θειικό (hydrogen sulfate) (ή διυδρογόνο θειικό (dihydrogen sulfate)). Στην πραγματικότητα, η πλήρως συστηματική ονομασία του θειικού οξέος, σύμφωνα με τους κανόνες της IUPAC, θα ήταν διυδροξειδοδιοξειδοθείο (dihydroxidodioxidosulfur) και αυτή του θειικού ιόντος, τετραοξειδοθειικό(2−) (tetraoxidosulfate(2−)). Τέτοια ονόματα, ωστόσο, δεν χρησιμοποιούνται σχεδόν ποτέ. Ωστόσο, το ίδιο στοιχείο μπορεί να σχηματίσει περισσότερα από ένα οξέα όταν συνδυάζεται με υδρογόνο και οξυγόνο. Σε τέτοιες περιπτώσεις, για τη διάκριση τέτοιων οξέων πρέπει να χρησιμοποιείται το επίθημα -ικό (-ic) στο όνομα του στοιχείου στο όνομα του οξέος που περιέχει περισσότερα άτομα οξυγόνου και το επίθημα -ώδες (-ous) στο όνομα του στοιχείου του οξέος που περιέχει τα λιγότερα άτομα οξυγόνου. Έτσι, για παράδειγμα, το θειικό οξύ (sulfuric acid) είναι H₂SO₄ και θειώδες οξύ (sulfurous acid), H₂SO₃. Ανάλογα, το νιτρικό οξύ (nitric acid) είναι HNO₃ και το νιτρώδες οξύ (nitrous acid) είναι HNO₂. Εάν υπάρχουν περισσότερα από δύο οξυοξέα που έχουν το ίδιο στοιχείο με το κεντρικό άτομο, τότε, σε ορισμένες περιπτώσεις, τα οξέα διακρίνονται προσθέτοντας το πρόθεμα υπερ- (per-)ή υπο- (hypo-) στα ονόματά τους. Το πρόθεμα υπερ-, ωστόσο, χρησιμοποιείται μόνο όταν το κεντρικό άτομο είναι ένα αλογόνο ή ένα στοιχείο της ομάδας 7. Για παράδειγμα, το χλώριο έχει τα ακόλουθα τέσσερα οξυοξέα:

• Υποχλωριώδες οξύ HClO
• Χλωριώδες οξύ HClO₂
• Χλωρικό οξύ HClO₃
• Υπερχλωρικό οξύ HClO₄

Μερικά στοιχειακά άτομα μπορεί να υπάρχουν σε μια αρκετά υψηλή κατάσταση οξείδωσης ώστε να μπορούν να συγκρατούν ένα άτομο οξυγόνου με διπλούς δεσμούς περισσότερο από τα υπεραλικά (υπεραλογονικά) οξέα. Σε αυτή την περίπτωση, σε οποιαδήποτε οξέα σχετικά με ένα τέτοιο στοιχείο δίνεται το πρόθεμα "υπερ-" (hyper-) (δημιουργεί σύγχυση στα ελληνικά). Επί του παρόντος, το μόνο γνωστό οξύ με αυτό το πρόθεμα είναι το υπερρουθενικό οξύ, H₂RuO₅. Το επίθημα -ώδης (-ite) εμφανίζεται σε ονόματα ανιόντων και αλάτων που προέρχονται από οξέα των οποίων τα ονόματα τελειώνουν στο επίθημα -ώδης (-ous). Από την άλλη πλευρά, το επίθημα -ικό (-ate) εμφανίζεται σε ονόματα ανιόντων και αλάτων που προέρχονται από οξέα των οποίων τα ονόματα τελειώνουν με το επίθημα -ικό (-ic). Τα προθέματα υπο- (hypo-) και υπερ- (per-) εμφανίζονται στο όνομα των ανιόντων και των αλάτων. για παράδειγμα το ιόν ClO−
4 ονομάζεται υπερχλωρικό. Σε λίγες περιπτώσεις, τα προθέματα ορθο- (ortho-) και παρα- (para-) εμφανίζονται στα ονόματα ορισμένων οξυοξέων και των παραγώγων τους ανιόντων. Σε τέτοιες περιπτώσεις, το παρα- οξύ είναι αυτό που μπορεί να θεωρηθεί ως το υπόλοιπο μέρος του ορθο- οξέος εάν ένα μόριο νερό διαχωρίζεται από το μόριο ορθο- του οξέος. Για παράδειγμα, το φωσφορικό οξύ, H₃PO₄, αποκαλείται μερικές φορές ορθοφωσφορικό οξύ, προκειμένου να διακριθεί από το μεταφωσφορικό οξύ, HPO₃. Ωστόσο, σύμφωνα με τους ισχύοντες κανόνες της IUPAC, το πρόθεμα ορθο θα πρέπει να χρησιμοποιείται μόνο στα ονόματα των ορθοτελλουρικό οξύ και ορθοπεριοδικό οξύ, και των αντίστοιχων ανιόντων και αλάτων τους.

Πηγές

• Kivinen, Antti· Mäkitie, Osmo (1988). Kemia (στα Φινλανδικά). Helsinki, Finland: Otava. ISBN 951-1-10136-6. 
• Nomenclature of Inorganic Compounds, IUPAC Recommendations 2005 (Red Book 2005). International Union of Pure and Applied Chemistry. 2005. ISBN 0-85404-438-8. 
• Otavan suuri ensyklopedia, volume 2 (Cid-Harvey) (στα Φινλανδικά). Helsinki, Finland: Otava. 1977. ISBN 951-1-04170-3. 

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

• IUPAC definition of "oxoacid" (from the Gold Book)