Vlastnosti, které určují sílu kyseliny
Nejžhavější nové trendy pro kyseliny
Dosud jsme se setkali s několika definicemi kyseliny, přičemž nejpopulárnější je Brønsted-Lowryho definice, která říká, že kyselina přenáší proton. Podívali jsme se také na příklady silných a slabých kyselin a na to, jak probíhají jejich rovnováhy ve vodě. Až do této části jsme mohli zjistit relativní sílu kyseliny na základě znalosti její disociační konstanty: čím větší je disociační konstanta kyseliny, tím je kyselina silnější.
V duchu zachování opravdovosti a poctivosti je asi nejlepší si prostě zapamatovat několik kyselin (a zásad), které jsme již prošli, a to, zda jsou silné nebo slabé. Pokud jich pár zapomenete, v této části si povíme o vlastnostech, které určují sílu kyseliny – možná vám to pomůže, pokud se ocitnete v nesnázích.
Periodická tabulka je v podstatě mapa chemického pokladu. Možná v ní není ukrytý hrnec zlata, ale mohla by vám pomoci zvládnout příští test. V této příručce se na ni budeme odvolávat, abyste mohli předpovědět sílu kyseliny.
Dvěma velkými prediktory síly kyselin jsou síla vazby H-A a polarita vazby H-A. Zjistěte, jaká je síla kyseliny. Obě vlastnosti se dají namapovat na periodickou tabulku a sledují určité trendy.
Síla vazby a kyseliny
Podívejme se na sílu kyselin obsahujících halogeny (skupina 7) HF, HCl, HBr a HI.
Síla vazby kyseliny obecně závisí na velikosti atomu „A“: čím je atom „A“ menší, tím je vazba H-A silnější. Při sestupu o řádek níže v periodické tabulce (viz obrázek níže) se atomy zvětšují, takže síla vazeb slábne, což znamená, že kyseliny jsou silnější. U výše uvedených kyselin obsahujících halogeny má HF nejsilnější vazbu a je nejslabší kyselinou. Silná vazba mezi více podobně velkými atomy „H“ a „F“ se nechce přerušit a umožnit přenos „H“.
HI je naopak velmi silná kyselina. Velký atom ‚I‘ převáží nad bezmocným malým ‚H‘ a vazba H-I je velmi slabá. Proto je HI skvělý přenašeč protonů a pořádná kyselina (Ka ~ 109 M).
Polarita vazby a kyseliny
Při porovnávání kyselin, které mají atomy ‚A‘ ve stejné řadě, jsou pro určení síly kyseliny důležitější rozdíly v polaritě vazby. Je to proto, že rozdíly v pevnosti vazeb jsou mnohem menší mezi atomy ve stejné řadě, které jsou blízko sebe.
Polarita vazby je do značné míry určena rozdílem elektronegativit mezi dvěma atomy zapojenými do vazby. Elektronegativita je v podstatě to, jak moc chce atom elektrony. Elektronegativitu si představte jako míru elektronové drtivosti atomu. Ano, mluvíme o zamilovanosti do chlapecké kapely. U vazeb, které zahrnují atom, jenž je velmi zamilovaný do elektronů, a atom, který zrovna necítí lásku k elektronům, má vazba tendenci být opravdu polární. Elektrony si vzájemně oplácejí zamilovanost a jdou po atomu, který je má nejraději. Není to hezké?
Vazba kyseliny fluorovodíkové (HF) je polární, protože F opravdu miluje elektrony. Porovnejme to s CH4. Uhlík je ve stejné řadě jako fluor (podívejte se na obrázek výše), ale HF je mnohem silnější kyselina než CH4. Vazby C-H nejsou ve srovnání s vazbou H-F polární. CH4 je opravdu slabá kyselina.
Zde je další třída kyselin, které mají také předvídatelnou sílu na základě periodické tabulky: oxokyseliny. Mají obecný vzorec HnYOm.
Některými reálnými příklady jsou H2CO3, H2PO4 a HNO3. Tyto kyseliny obsahují vazbu O-H, která disociuje za vzniku hydroniového iontu a konjugované báze:
(Poznámka: Když v této části říkáme „atom Y“, nemyslíme tím yttrium. Používáme Y jako zástupný znak pro prvek).
Čím je kyselina silnější, tím více je upřednostňována pravá strana rovnováhy. Čím více je atom Y schopen stabilizovat záporně nabitý produkt Y-O- na pravé straně rovnováhy, tím silnější bude kyselina.
Pokud má Y velkou elektronovou drť (je vysoce elektronegativní), bude rád na pravé straně rovnováhy. To proto, že na pravé straně rovnováhy je na molekule více elektronů. I když Y nedostane elektrony jen pro sebe, stále má jisté uspokojení z toho, že si je užívá sousední atom kyslíku. Není to příjemné?
Celkově vzato, čím elektronegativnější je atom Y, tím lépe může stabilizovat produkt Y-O- a tím silnější bude kyselina. Řada kyselin hypohaloidních dobře ukazuje rostoucí sílu kyseliny s rostoucí elektronegativitou atomu Y (v tomto případě atomu halogenu).
Kdykoli se vazba O-H oslabí, tím silnější bude kyselina. Ve výše uvedeném příkladu je vazba O-H oslabena zvýšením elektronegativity atomu Y. Představte si atom Y jako elektronový vysavač, který vysává elektrony z vazby O-H, takže se již nesdílejí s protonem a končí na molekule konjugované báze. Čím silnější je vakuum vytahující elektrony z vazby, tím silnější bude kyselina.
Stejný princip platí i pro kyseliny, které obsahují stejný atom Y, ale různý počet atomů kyslíku. Atomy kyslíku jsou také jako vysavače elektronů. Oslabují vazbu O-H prostřednictvím centrálního atomu Y a stabilizují záporně nabitý produkt. Výsledkem je, že čím více atomů kyslíku je připojeno k centrálnímu atomu Y, tím je kyselina HnYOm silnější.
Řada oxokyselin chloru ilustruje, co máme na mysli:
Zvyšováním počtu atomů kyslíku, které jsou připojeny k centrálnímu atomu, se také zvyšuje oxidační číslo centrálního atomu. Vysoká oxidační čísla centrálního atomu představují kladný náboj na tomto atomu.
Protože se opačné náboje přitahují, velmi kladný centrální atom by byl více přitahován záporným nábojem z osamělého elektronového páru na sousedním atomu kyslíku. Aby sousední kyslík získal kýžený osamělý elektronový pár, předá proton a chová se jako kyselina.
Přestože vám výše uvedené trendy a příklady budou užitečné, nevyhnutelně se setkáte s blízkými setkáními s cizími molekulami. Připomíná nám to jeden starý Spielbergův film. Když potřebujeme porovnat kyselost molekul, které jsme ještě neviděli, zkusíme určit, kolik elektronových vysavačů (pokud vůbec nějaké) se na molekule nachází. Tyto „vysavače“ jsou obvykle atomy s vysokou elektronegativitou, jako je kyslík. Tyto atomy stabilizují osamělý pár elektronů, který obvykle vzniká při přenosu protonu kyselinou. Čím lépe dokáže molekula stabilizovat dodatečné elektrony, tím silnější bude jako kyselina.