Ominaisuudet, jotka määrittävät hapon voimakkuuden
Happojen kuumimmat uudet trendit
Viimeiseen mennessä olemme nähneet muutamia hapon määritelmiä, joista suosituin on Brønstedin ja Lawryn määritelmä, jonka mukaan happo luovuttaa protonin. Katsoimme myös esimerkkejä vahvoista ja heikoista hapoista ja siitä, miten niiden tasapainot vedessä toteutuvat. Tähän jaksoon asti pystyimme päättelemään hapon suhteellisen vahvuuden tuntemalla sen happo-dissosiaatiovakion: mitä suurempi happo-dissosiaatiovakio on, sitä vahvempi happo on.
Todellisuuden ja rehellisyyden hengessä on luultavasti parasta vain painaa mieleen joukko happoja (ja emäksiä), jotka kävimme jo läpi, ja se, ovatko ne vahvoja vai heikkoja. Jos unohdat muutaman, puhumme hapon vahvuuden määräävistä ominaisuuksista tässä osiossa – se saattaa auttaa sinua, jos joudut pulaan.
Jaksotaulukko on periaatteessa kemian aarrekartta. Siihen ei ehkä ole kätketty kultapottia, mutta se saattaa auttaa sinua pärjäämään seuraavassa kokeessa. Viittaamme siihen tässä oppaassa happojen vahvuuden ennustamisessa.
Kaksi suurta hapon vahvuuden ennustetta ovat H-A-sidoksen vahvuus ja H-A-sidoksen poolisuus. Molemmat ominaisuudet voidaan kartoittaa jaksolliseen järjestelmään ja ne noudattavat tiettyjä trendejä.
Sidoksen lujuus ja hapot
Katsotaanpa halogeeneja (ryhmä 7) sisältävien happojen HF, HCl, HBr ja HI lujuutta.
Hapon sidoslujuus riippuu yleensä A -atomin koosta: mitä pienempi A -atomi, sitä vahvempi H-A-sidos. Kun mennään jaksollisen järjestelmän riviä alaspäin (ks. alla oleva kuva), atomit kasvavat suuremmiksi, joten sidosten lujuus heikkenee, mikä tarkoittaa, että hapot vahvistuvat. Edellä mainittujen halogeenipitoisten happojen osalta HF:llä on vahvin sidos ja se on heikoin happo. Samankokoisten ”H”- ja ”F”-atomien välinen vahva sidos ei tahdo murtua ja sallia ”H”-atomin siirtymistä.
HI sen sijaan on erittäin vahva happo. Iso ’I’-atomi päihittää avuttoman pienen ’H’-atomin ja H-I-sidos on hyvin heikko. Siksi HI on loistava protoninsiirtäjä ja yksi hemmetinmoinen happo (Ka ~ 109 M).
Sidoksen polaarisuus ja hapot
Vertailtaessa happoja, joiden ’A’-atomit ovat samassa rivissä, sidoksen polaarisuuserot ovat tärkeämpiä hapon voimakkuuden määrittämisessä. Tämä johtuu siitä, että sidosten lujuuserot ovat paljon pienempiä samassa rivissä lähellä toisiaan olevien atomien välillä.
Sidoksen poolisuus määräytyy suurelta osin sidokseen osallistuvien kahden atomin välisen elektronegatiivisuuseron perusteella. Elektronegatiivisuus on periaatteessa se, kuinka paljon atomi haluaa elektroneja. Ajattele elektronegatiivisuutta atomin elektronimurskauksen mittana. Kyllä, puhumme poikabändin kaltaisesta ihastuksesta. Sellaisten sidosten, joissa on mukana atomi, joka on valtavan ihastunut elektroneihin, ja atomi, joka ei tunne elektronirakkautta, sidoksella on taipumus olla todella polaarinen. Elektronit ovat vastavuoroisesti ihastuneita ja menevät siihen atomiin, joka pitää niistä eniten. Eikö olekin mukavaa?
Fluorivetyhapon (HF) sidos on poolinen, koska F todella rakastaa elektroneja. Verrataanpa tätä CH4:ään. Hiili on samalla rivillä kuin fluori (katso kuva yllä), mutta HF on paljon vahvempi happo kuin CH4. C-H-sidokset eivät ole poolisia verrattuna H-F-sidokseen. CH4 on todella heikko happo.
Tässä on toinen happojen luokka, jonka vahvuudet ovat myös ennustettavissa jaksollisen järjestelmän perusteella: oksohapot. Niiden yleiskaava on HnYOm.
Todellisia esimerkkejä ovat H2CO3, H2PO4 ja HNO3. Nämä hapot sisältävät O-H-sidoksen, joka dissosioituu muodostaen hydroniumionin ja konjugoituneen emäksen:
(Huom: Kun tässä kohdassa puhutaan ”Y-atomista”, ei tarkoiteta yttriumia. Käytämme Y:tä alkuaineen paikannimenä).
Mitä vahvempi happo on, sitä enemmän tasapainon oikeaa puolta suositaan. Mitä enemmän Y-atomi pystyy vakauttamaan Y-O- negatiivisesti varautunutta tuotetta tasapainon oikealla puolella, sitä vahvempi happo on.
Jos Y:llä on suuri elektronimurska (on erittäin elektronegatiivinen), se on mielellään tasapainon oikealla puolella. Tämä johtuu siitä, että tasapainon oikealla puolella olevassa molekyylissä on enemmän elektroneja. Vaikka Y ei saisikaan kaikkia elektroneja itselleen, se saa silti jonkinlaista tyydytystä siitä, että viereinen happiatomi nauttii niistä. Eikö olekin mukavaa?
Kaiken kaikkiaan mitä elektronegatiivisempi Y-atomi on, sitä paremmin se pystyy vakauttamaan Y-O- tuotteen ja sitä vahvempi happo on. Hypohapposarja osoittaa hyvin hapon voimakkuuden lisääntymisen Y-atomin (tässä tapauksessa halogeeniatomin) elektronegatiivisuuden kasvaessa.
Aina kun O-H-sidos heikkenee, happo on sitä vahvempi. Yllä olevassa esimerkissä O-H-sidosta heikennetään lisäämällä Y-atomin elektronegatiivisuutta. Ajattele Y-atomia elektronipölynimurina, joka imee elektronit pois O-H-sidoksesta, jotta ne eivät enää jaa niitä protonin kanssa ja päätyvät konjugaattiemäsmolekyyliin. Mitä voimakkaampi tyhjiö vetää elektroneja ulos sidoksesta, sitä vahvempi happo on.
Sama periaate pätee happoihin, jotka sisältävät saman Y-atomin mutta eri määrän happiatomeja. Happiatomit ovat myös kuin elektronipölynimureita. Ne heikentävät O-H-sidosta keskeisen Y-atomin kautta ja stabiloivat negatiivisesti varautunutta tuotetta. Tämän seurauksena HnYOm-happo on sitä vahvempi, mitä enemmän happiatomeja on kiinnittynyt keskeiseen Y-atomiin.
Kloorin oksohappojen sarja havainnollistaa, mitä tarkoitamme:
Keskusatomiin kiinnittyneiden happiatomien lukumäärän lisääntyminen lisää myös keskusatomin hapetuslukua. Keskusatomin korkeat hapetusluvut edustavat kyseisen atomin positiivista varausta.
Sen vuoksi, että vastakkaiset varaukset vetävät puoleensa, hyvin positiivinen keskusatomi vetäisi enemmän puoleensa negatiivista varausta viereisen happiatomin yksinäisestä elektroniparista. Jotta naapurihappi saisi himoitut yksinäisen elektroniparin elektronit, se luovuttaa protonin ja toimii happona.
Vaikka edellä esitetyistä suuntauksista ja esimerkeistä on hyötyä, joudutte väistämättä lähikohtaamisiin vieraiden molekyylien kanssa. Tulee mieleen vanha Spielbergin elokuva. Kun meidän on verrattava sellaisten molekyylien happamuutta, joita emme ole ennen nähneet, yritetään määrittää, kuinka monta elektronipölynimuria (jos sellaisia on) molekyylissä on. Nämä ”imuriatomit” ovat tyypillisesti atomeita, joilla on korkea elektronegatiivisuus, kuten happi. Nämä atomit stabiloivat yksinäistä elektroniparia, joka yleensä syntyy, kun happo siirtää protonin. Mitä paremmin molekyyli pystyy stabiloimaan ylimääräiset elektronit, sitä vahvempi se on happona.