Egenskaber, der bestemmer syrestyrken
De hotteste nye tendenser for syrer
Så langt har vi set et par definitioner af en syre, hvor den mest populære er Brønsted-Lowry-definitionen, der fortæller os, at en syre overfører protoner. Vi har også set på eksempler på stærke syrer og svage syrer og på, hvordan deres ligevægte i vand udspiller sig. Indtil dette afsnit kunne vi finde ud af en syres relative styrke ved at kende dens syre-dissociationskonstant: jo større syre-dissociationskonstanten er, jo stærkere er syren.
I en ånd af at holde det virkeligt og ærligt er det nok bedst bare at huske en masse af de syrer (og baser), vi allerede har gennemgået, og om de er stærke eller svage. Hvis du glemmer et par stykker, vil vi tale om de egenskaber, der bestemmer syrestyrken i dette afsnit – det kan måske hjælpe dig, hvis du kommer i klemme.
Det periodiske system er i bund og grund et skattekort over kemi. Der er måske ikke gemt en krukke guld i den, men den kan måske hjælpe dig med at få et godt resultat til din næste prøve. Vi vil henvise til det i denne vejledning for at hjælpe med at forudsige syrestyrken.
To store forudsigere af syrestyrke er H-A-bindingens styrke og H-A-bindingens polaritet. Begge egenskaber kan afbildes på det periodiske system og følger visse tendenser.
Bindingsstyrke og syrer
Lad os se på styrken af de halogenholdige (gruppe 7) syrer HF, HCl, HBr og HI.
Bindingsstyrken i en syre afhænger generelt af størrelsen af A-atomet: jo mindre A-atomet er, jo stærkere er H-A-bindingen. Når man går nedad en række i det periodiske system (se figuren nedenfor), bliver atomerne større, så bindingsstyrken bliver svagere, hvilket betyder, at syrerne bliver stærkere. For de halogenholdige syrer ovenfor har HF den stærkeste binding og er den svageste syre. Den stærke binding mellem de mere ens store “H”- og “F”-atomer vil ikke bryde og tillade, at “H” overføres.
HI er på den anden side en meget stærk syre. Det store ‘I’-atom overmander det hjælpeløse lille ‘H’-atom, og H-I-bindingen er meget svag. Derfor er HI en stor protonoverfører og en helvedes syre (Ka ~ 109 M).
Bindingspolaritet og syrer
Når man sammenligner syrer, der har ‘A’-atomer i samme række, er forskelle i bindingspolaritet vigtigere for at bestemme syrens styrke. Det skyldes, at forskellene i bindingsstyrke er meget mindre mellem atomer i nærheden af hinanden i samme række.
Bindingspolaritet bestemmes i høj grad af forskellen i elektronegativitet mellem de to atomer, der er involveret i bindingen. Elektronegativitet er grundlæggende set, hvor meget et atom ønsker elektroner. Tænk på elektronegativitet som et mål for et atoms elektronkærlighed. Ja, vi taler om den boyband-agtige form for forelskelse. For bindinger, der involverer et atom, der har et enormt elektronkærlighed og et atom, der bare ikke føler elektronkærlighed, har bindingen en tendens til at være meget polær. Elektronerne gengælder forelskelsen og går efter det atom, der kan lide dem mest. Er det ikke dejligt?
Bindingen af flussyre (HF) er polær, fordi F virkelig elsker elektroner. Lad os sammenligne det med CH4. Kulstof er i samme række som fluor (se figuren ovenfor), men HF er en meget stærkere syre end CH4. C-H-bindingerne er ikke polære i forhold til H-F-bindingen. CH4 er en virkelig svag syre.
Her er en anden klasse af syrer, som også har forudsigelige styrker baseret på det periodiske system: oxosyrerne. De har den generelle formel, HnYOm.
Nogle eksempler fra den virkelige verden er H2CO3, H2PO4 og HNO3. Disse syrer indeholder en O-H-binding, der dissocierer for at danne en hydroniumion og en konjugeret base:
(Bemærk: Når vi i dette afsnit siger “Y-atom”, mener vi ikke yttrium. Vi bruger Y’et som en pladsholder for et grundstof).
Jo stærkere en syre er, jo mere er den højre side af ligevægten begunstiget. Jo mere Y-atomet er i stand til at stabilisere det negativt ladede Y-O-produkt på højre side af ligevægten, jo stærkere vil syren være.
Hvis Y har en stor elektronknusning (er stærkt elektronegativ) vil det være glad for at være på højre side af ligevægten. Det er fordi der er flere elektroner på molekylet på den højre side af ligevægten. Selv om Y ikke får elektronerne helt for sig selv, får det stadig en vis tilfredsstillelse ved at vide, at naboens iltatom nyder godt af dem. Er det ikke dejligt?
Overordnet set gælder det, at jo mere elektronegativt Y-atomet er, jo bedre kan det stabilisere Y-O-produktet, og jo stærkere bliver syren. Hypohalssyreserien viser godt den stigende syrestyrke med stigende elektronegativitet af Y-atomet (i dette tilfælde et halogenatom).
Hver gang O-H-bindingen svækkes, jo stærkere bliver syren. I eksemplet ovenfor svækkes O-H-bindingen ved at øge Y-atomets elektronegativitet. Tænk på Y-atomet som en elektronstøvsuger, der suger elektronerne ud af O-H-bindingen, så de ikke længere bliver delt med protonerne og ender på det konjugerede basemolekyle. Jo stærkere vakuum der trækker elektronerne ud af bindingen, jo stærkere bliver syren.
Det samme princip gælder for syrer, der indeholder det samme Y-atom, men forskelligt antal oxygenatomer. Oxygenatomer er også som elektronstøvsugere. De svækker O-H-bindingen gennem det centrale Y-atom og stabiliserer det negativt ladede produkt. Som følge heraf er HnYOm-syren stærkere, jo flere iltatomer der er knyttet til det centrale Y-atom.
Serien af oxosyrer af klor illustrerer, hvad vi mener:
Det øgede antal oxygenatomer, der er knyttet til det centrale atom, øger også oxidationstallet for det centrale atom. Et højt oxidationstal for det centrale atom repræsenterer en positiv ladning på dette atom.
Da modsatrettede ladninger tiltrækkes, vil et meget positivt centralt atom blive mere tiltrukket af den negative ladning fra elektronens ensomme par på det tilstødende iltatom. For at det nærliggende oxygenatom kan få de eftertragtede lone pair-elektroner, overfører det en proton og fungerer som en syre.
Selv om ovenstående tendenser og eksempler vil være nyttige, vil du uundgåeligt have nære møder med fremmede molekyler. Minder os om en gammel Spielberg-film. Når vi skal sammenligne surhedsgraden af molekyler, som vi ikke har set før, skal vi forsøge at bestemme, hvor mange elektronstøvsugere (hvis der er nogen) der er på molekylet. Disse “støvsugeratomer” er typisk de atomer med høj elektronegativitet, som f.eks. ilt. Disse atomer stabiliserer det enlige elektronpar, som normalt opstår, når en syre overfører en proton. Jo bedre molekylet er i stand til at stabilisere de ekstra elektroner, jo stærkere vil det være som en syre.