Οξύ

Οξέα κατ' Αρρένιους

Ο Σουηδός χημικός Σβάντε Αρρένιους (Svante Arrhenius) απέδωσε τις ιδιότητες της οξύτητας στα υδρογονοκατιόντα ή πρωτόνια (H⁺) το 1884. Ένα οξύ κατ' Αρρένιους είναι μια χημική ουσία, που όταν προστίθεται σε νερό, αυξάνει τη συγκέντρωση των υδρογονοκατιόντων σε αυτό. Σημειώστε ότι οι χημικοί συχνά γράφουν H⁺(aq) για να αναφερθούν στα υδροονοκατιόντα όταν περιγράφουν οξεοβασικές αντιδράσεις, αλλά ξέρουν ότι στην πραγματικότητα ελεύθερα, δηλαδή γυμνά πρωτόνια, δεν υπάρχουν στο νερό, αλλά σχηματίζουν ιόντα υδροξωνίου (H₃O⁺). Έτσι, ένα οξύ κατ' Αρρένιους μπορεί επίσης να περιγραφεί ως μια χημική ουσία, αυξάνει τη συγκέντρωση των υδροξωνίων, όταν προστίθεται σε νερό. Αυτός ο ορισμός πηγάζει από τη χημική ισορροπία διάστασης του νερού σε ιόντα υδροξωνίου και υδροξυλίου (OH⁻): 
Στο καθαρό νερό η πλειοψηφία των μορίων του νερού βρίσκονται στη μορφή των ουδέτερων μορίων H₂O, αλλά ένα μικρό κλάσμα αυτών, σε αναλογία περίπου 1:10⁷, σταθερά και συνεχόμενα διίστανται, και ταυτόχρονα ένα ζευγάρι ιόντων υδροξωνίου και υδροξυλίου επανενώνονται. Επειδή στο καθαρό νερό οι αριθμοί των ιόντων υδροξωνίου και υδροξυλίου είναι ίσοι, το καθαρό νερό είναι ουδέτερο, δηλαδή ούτε όξινο, ούτε βασικό.
Μια βάση, κατ' Αρρένιου, από την άλλη, είναι μια ουσία που αυξάνει τη συγκέντρωση ιόντων υδροξυλίου, όταν διαλύεται στο νερό, οπότε ταυτόχρονα μειώνεται η συγκέντρωση των ιόντων υδροξωνίου.
Η συνεχής διάσταση και αποδιάσταση των μορίων του νερού σχηματίζει μια χημική ισορροπία στην οποία κάθε αύξηση της συγκέντρωσης ιόντων υδροξωνίου συνοδεύεται από αντίστοιχη μείωση στη συγκέντρωση των ιόντων υδροξυλίου, έτσι ώστε ένα οξύ κατ' Αρρένιους μπορεί να πει κανείς ότι επίσης μειώνει τη συγκέντρωση των ιόντων υδροξυλίου, την οποία αυξάνει μια βάση κατ' Αρρένιους.
Ο λόγος για τον οποίο τα pH των οξέων είναι μικρότερα από 7 είναι ότι έχουν συγκέντρωση ιόντων υδροξωνίου μεγαλύτερη από 10⁻⁷ moles/lit, εφόσον το pH ορίζεται ως ο αντίθετος αριθμός από το δεκαδικό λογάριθμο της συγκέντρωσης των ιόντων υδροξωνίου.
Σημειώστε ότι στο νερό, εκτός από το υδροξώνιο σχηματίζονται και άλλες εφυδατωμένες μορφές του υδρογονοκατιόντος, με τύπους Η₅Ο₂⁺, Η₇Ο₃⁺, Η₉Ο₄⁺, κ.τ.λ..
Παραδείγματα οξέων κατ' Αρρένιους:
1. Το υδροχλωρικό οξύ (HCl):
2. Το νιτρικό οξύ (ΗΝΟ₃):
3. To αιθανικό οξύ (CH₃COOH):
4. Το θειικό οξύ (H₂SO₄):
Σημειώστε ότι σύμφωνα με τον ορισμό κατ' Αρρένιους τα οξέα πρέπει να περιέχουν οπωσδήποτε υδρογόνο, αλλά κάθε υδρογονούχα ένωση δεν είναι απαραίτητα οξύ. Ακόμα, ο όξινος χαρακτήρας τους εκδηλώνεται μόνο σε υδατικό διάλυμα.

Οξέα κατά Μπρόνστεντ και Λόρυ

Ενώ ο κατ' Αρρένιους ορισμός είναι χρήσιμος για την περιγραφή πολλών χημικών αντιδράσεων, είναι επίσης σχετικά περιορισμένος στο πεδίο εφαρμογής του. Το 1923 οι χημικοί Γιοχάνες Νίκολαους Μπρόνστεντ (Johannes Nicolaus Brønsted) και Τόμας Μάρτιν Λόρυ (Thomas Martin Lowry) ανεξάρτητα αναγνώρησαν όρι οι οξεοβασικές αντιδράσεις περιλαμβάνουν τη μεταφορά ενός πρωτονίου. Ένα οξύ κατά Μπρόνστεντ - Λόρυ είναι ένα χημικό είδος που δίνει ένα πρωτόνιο (οπότε είναι «πρωτονιοδότης») σε μια βάση κατά Μπρόνστεντ - Λόρυ, που παίρνει το πρωτόνιο (οπότε είναι «πρωτονιοδέκτης»). Η οξεοβασική θεωρία κατά Μπρόνστεντ - Λόρυ έχει αρκετά πλεονεκτήματα απέναντι στην αντίστοιχη θεωρία κατ' Αρρένιους. Εξετάστε, για παράδειγμα, τις ακόλουθες αντιδράσεις του αιθανικού οξέος, του οργανικού οξέος που δίνει στο ξίδι τη χαρακτηριστική του γεύση:
Και οι δυο θεωρίες εύκολα περιγράφουν την πρώτη αντίδραση. Το αιθανικό οξύ δρα ως ένα οξύ κατ' Αρρένιους, γιατί δρα ως πηγή υδροξωνίου όταν διαλυθεί σε νερό, αλλά και ως οξύ κατά Μπρόνστεντ - Λόρυ, γιατί δίνει ένα πρωτόνιο στο νερό. Στη δεύτερη αντίδραση, όμως, το αιθανικό οξύ και πάλι δίνει ένα πρωτόνιο, αυτήν τη φορά στην αμμωνία (NH₃), οπότε είναι οξύ κατά Μπρόνστεντ - Λόρυ, αλλά δεν παράγει υδροξώνιο, οπότε δεν είναι οξύ κατ' Αρρένιους.
Η θεωρία κατά Μπρόνστεντ - Λόρυ μπορεί επίσης να χρησιμοποιείται για να περιγράψει μοριακές χημικές ενώσεις, ενώ τα οξέα κατ' Αρρένιους πρέπει να είναι ιονικές ενώσεις. Το υδροχλώριο (HCl) και η αμμωνία (NH₃) μπορούν να συνδυαστούν κάτω από πολλές διαφορετικές συνθήκες και να σχηματίσουν χλωριούχο αμμώνιο (NH₄Cl). Το υδατικό διάλυμα υδροχλωρίου, δηλαδή το υδροχλωρικό οξύ, υπάρχει ως ιόντα υδροξωνίου και ανιόντα χλωρίου. Οι ακόλουθες αντιδράσεις απεικονίζουν τους περιορισμούς του ορισμού κατ' Αρρένιους:
Όπως και στην αντίδραση με το αιθανικό οξύ, και οι δυο ορισμοί λειτουργούν στο πρώτο παράδειγμα, όπου το νερό (aq) είναι διαλύτης και το ιόν υδροξωνίου σχηματίζεται από τη διάσταση του υδροχλωρίου. Οι δυο επόμενες αντιδράσεις, όμως, δεν περιλαμβάνουν το σχηματισμό ιόντων, αλλά και πάλι επιτρέπουν τη μεταφορά πρωτονίου. Στη δεύτερη αντίδραση, το υδροχλώριο και η αμμωνία διαλύονται σε βενζόλιο (PhH) και αντιδρούν παράγοντας στερεό (s) χλωριούχο αμμώνιο. Στην τρίτη αντίδραση, το υδροχλώριο και η αμμωνία αντιδρούν στην αέρια (g) κατάσταση και παράγουν και πάλι στερεό χλωριούχο αμμώνιο. 
Τα δυο ζευγάρια χημικών ειδών, αυτό των χημικών ειδών που αντέδρασαν και αυτό των χημικό ειδών που προέκυψε, μιας οξεοβασική αντίδραση κατά Μπρόνστεντ και Λόρυ ονομάζονται «συζυγή οξεοβασικά ζεύγη». 
Άλλα παραδείγματα:
1. Στην αντίδραση διάλυσης σε νερό, και μετά διάστασης, έχουμε:
Εδώ το υδροχλώριο δρα σαν οξύ και κατ' Αρρένιους, αφού παράγει υδροξώνιο, και κατά Μπρόνστεντ και Λόρυ, αφού δίνει πρωτόνιο στο νερό. Εδώ τα συζυγή ζεύγη της αντίδρασης είναι το υδροχλώριο και το νερό, που αντέδρασαν, και το υδροξώνιο και ανιόν χλωρίου, που παράχθηκαν.
2. Στην αντίδραση διάλυσης σε νερό και μετά πρώτης διάστασης του θειικού οξέος, έχουμε:
Εδώ το θειικό οξύ δρα σαν οξύ και κατ' Αρρένιους, αφού παράγει υδροξώνιο, και κατά Μπρόνστεντ και Λόρυ, αφού δίνει πρωτόνιο στο νερό. Εδώ τα συζυγή ζεύγη της αντίδρασης είναι το θειικό οξύ και το νερό, που αντέδρασαν, και το υδροξώνιο και το όξινο θειικό ανιόν, που παράχθηκαν. 
3. Στην αντίδραση διάστασης του νερού, έχουμε:
Εδώ το νερό δρα σαν οξύ κατ' Αρρένιους, αφού παράγει υδροξώνιο, αλλά ταυτόχρονα ως οξύ και ως βάση κατά Μπρόνστεντ και Λόρυ, αφού δίνει και δέχεται πρωτόνιο. Εδώ τα συζυγή ζεύγη της αντίδρασης είναι το νερό και το νερό, που αντέδρασαν, και το υδροξώνιο και το ανιόν υδροξυλίου, που παράχθηκαν. 
4. Στη διάσταση του όξινου ανιόντος θείου, το οποίο μπορεί να προέλθει από το πρώτο στάδιο διάστασης του υδρόθειου ή από τη διάσταση ενός όξινου θειούχου άλατος, όπως το όξινο θειούχο νάτριο (NaHS), έχουμε:
Εδώ το όξινο ανιόν θείου δρα σαν οξύ κατ' Αρρένιους, αφού παράγει υδροξώνιο, αλλά ταυτόχρονα κσι ως οξύ κατά Μπρόνστεντ και Λόρυ, αφού δίνει  πρωτόνιο. Εδώ τα συζυγή ζεύγη της αντίδρασης είναι το όξινο ανιόν θείου και το νερό, που αντέδρασαν, και το υδροξώνιο και το διανιόν θείου, που παράχθηκαν. 
Είναι προφανές, από τα παραπάνω, ότι κατά Μπρόνστεντ και Λόρυ, είναι δυνατό το ίδιο χημικό είδος να μπορεί να δρα άλλοτε ως οξύ και άλλοτε ως βάση ανάλογα με ποια ουσία αντιδρά κάθε φορά. 
Έτσι, το Η₂Ο, στο παράδειγμα #3, δρα και ως οξύ αλλά και ως βάση. Τέτοια χημικά είδη με διπλή δράση λέγονται αμφολύτες ή επαμφοτερίζοντα σώματα.

Ονοματολογία ανόργανων οξέων

Όταν τα ανόργανα οξέα είναι ενώσεις του υδρογόνου με τα μη οξυγονούχα ανιόντα F⁻, Cl⁻, Br⁻, I⁻, S²⁻, CN⁻, η ονομασία τους είναι γενικά "υδρο-ανιόν", ενώ όταν είναι ενώσεις του υδρογόνου με αρνητικά πολυατομικά ιόντα (εκτός του ΟΗ⁻) ονομάζονται με το γενικό σχήμα "όνομα ανιόντος οξύ" π.χ. HCl υδροχλώριο, Η₂S υδρόθειο, HCN υδροκυάνιο, ΗΝΟ₃ νιτρικό οξύ, Η₂SO₄ θειικό οξύ, H₃PO₄ φωσφορικό οξύ κ.ά.
Ορισμένα γνωστά ανόργανα μη οξυγονούχα οξέα : (όταν είναι υδατικά διαλύματα λέγονται υδρο-xxxx-ικό οξύ με εξαίρεση το υδρόθειο)
υδροχλώριο HCl (υδροχλωρικό οξύ),
υδροφθόριο HF (υδροφθορικό οξύ),
υδροϊώδιο HI (υδροϊωδικό οξύ),
υυδροβρώμιο HBr (υδροβρωμικό οξύ)
υδρόθειο H₂S,
υδροκυάνιο HCN (υδροκυανικό οξύ).
Ορισμένα γνωστά ανόργανα οξυγονούχα οξέα είναι:
φωσφορικό οξύ H₃PO₄,
θειικό οξύ H₂SO₄,
θειώδες οξύ H₂SO₃.
νιτρικό οξύ HNO₃,
νιτρώδες οξύ HNO₂.
Τα ορθο-, πυρο- και μετα-οξέα ονομάζονται με τα αντίστοιχα προθέματα μπροστά από το όνομα του κανονικού οξέος π.χ. H₄SnO₄ ορθοκασσιτερικό οξύ, H₂S₂O₇ πυροθειικό οξύ, HPO₃ μετα-φωσφορικό κ.ά.

Ονοματολογία οργανικών οξέων

Οι οργανικές ενώσεις με όξινο χαρακτήρα ανήκουν στις τάξεις των καρβοξυλικών οξέων, των φαινολών, των αλκοολών και των αλκινίων με τριπλό δεσμό C-C σε θέση-1. Αρκετά οργανικά οξέα έχουν εμπειρικά ονόματα π.χ. γαλακτικό, μυρμηκικό, οξικό, οξαλικό, κ.ά.). Η συστηματική όμως ονοματολογία τους ακολουθεί τους κανόνες της I.U.P.A.C.. Ορισμένα γνωστά οργανικά οξέα : μεθανικό ή μυρμηκικό οξύ HCOOH, αιθανικό ή οξικό οξύ CH₃COOH, οξαλικό οξύ C₂H₂O₄, ασκορβικό οξύ ή βιταμίνη C C₆H₈O₆), ακετυλοσαλικυλικό οξύ (ασπιρίνη) κ.ά.

Γενικές μέθοδοι παρασκευής ανόργανων οξέων

Τα οξέα του τύπου ΗΧ  που λέγονται και υδραλογόνα παρασκευάζονται :
α) Με απευθείας σύνθεση από τα στοιχεία τους κατά το σχήμα "υδρογόνο + αλογόνο → υδραλογόνο" π.χ. H₂ + Cl₂ → 2HCl. Έτσι παρασκευάζεται και το H₂S : H₂ + S → H₂S.
β) Με απλή αντικατάσταση του αμετάλλου κατά τη σειρά F₂→Cl₂→Br₂→I₂→S. Κάθε αμέταλλο αντικαθιστά τα επόμενά του στις ενώσεις του κατά το σχήμα "Αμέταλλο + ένωση → υδραλογόνο + αμέταλλο" π.χ. F₂ + 2HI → 2HF + I₂, Cl₂ + H₂S → 2HCl + S.
γ) Από αλογονίδια με επίδραση νερού κατά το σχήμα "αλογονίδιο + νερό → οξυγονούχο οξύ + υδραλογόνο" π.χ. PCl₅ + 4H₂O → H₃PO₄ + 5HCl.
Τα οξυγονούχα οξέα μπορούν να παρασκευαστούν :
α) Με αντίδραση του τύπου "ανυδρίτης οξέος + νερό → οξύ" π.χ. P₂O₅ + H₂O → H₃PO₄
β) Με επίδραση πυκνού ΗΝΟ₃ σε αμέταλλο κατά το γενικό σχήμα "αμέταλλο + ΗΝΟ₃ → οξύ + ΝΟ₂ + Η₂Ο" π.χ. P + 5HNO₃ → H₃PO₄ + 5NO₂ + H₂O
Όλα τα οξέα (οξυγονούχα και μη) μπορούν να παρασκευαστούν :
α) Από αντίδραση του τύπου "άλας + οξύ → νέο άλας + νέο οξύ". Η αντίδραση είναι πραγματοποιήσιμη εφόσον το "νέο οξύ" μπορεί να απομονωθεί από τα άλλα προϊόντα της αντίδρασης π.χ. CaF₂ + H₂SO₄ → CaSO₄↘ + 2HF↗