Propriétés qui déterminent la force de l’acide
Les nouvelles tendances les plus chaudes pour les acides
Jusqu’à présent, nous avons vu quelques définitions d’un acide, la plus populaire étant celle de Brønsted-Lowry qui nous dit qu’un acide transfère un proton. Nous avons également examiné des exemples d’acides forts et d’acides faibles et comment se déroulent leurs équilibres dans l’eau. Jusqu’à cette section, nous pouvions déterminer la force relative d’un acide en connaissant sa constante de dissociation acide : plus la constante de dissociation acide est grande, plus l’acide est fort.
Dans l’esprit de garder les choses réelles et honnêtes, il est probablement préférable de simplement mémoriser un tas d’acides (et de bases) que nous avons déjà parcourus et de savoir s’ils sont forts ou faibles. Si vous en oubliez quelques-uns, nous parlerons des propriétés qui déterminent la force de l’acide dans cette section – cela pourrait juste vous aider si vous vous trouvez dans une situation difficile.
Le tableau périodique est en fait une carte au trésor de la chimie. Il n’y a peut-être pas de pot d’or caché dedans, mais il pourrait vous aider à réussir votre prochain test. Nous nous y référerons dans ce guide pour aider à prédire la force des acides.
Les deux grands prédicteurs de la force de l’acide sont la force de la liaison H-A et la polarité de la liaison H-A. Ces deux propriétés peuvent être cartographiées sur le tableau périodique et suivent certaines tendances.
Résistance des liaisons et acides
Regardons la résistance des acides contenant des halogènes (groupe 7) HF, HCl, HBr et HI.
La force de la liaison d’un acide dépend généralement de la taille de l’atome ‘A’ : plus l’atome ‘A’ est petit, plus la liaison H-A est forte. Lorsque l’on descend d’une rangée dans le tableau périodique (voir la figure ci-dessous), les atomes deviennent plus grands et la force des liaisons s’affaiblit, ce qui signifie que les acides deviennent plus forts. Pour les acides halogénés ci-dessus, HF a la liaison la plus forte et est l’acide le plus faible. La liaison forte entre les atomes ‘H’ et ‘F’ de taille plus similaire ne veut pas se rompre et permettre au ‘H’ de se transférer.
HI, par contre, est un acide très fort. Le gros atome ‘I’ domine le petit ‘H’ impuissant et la liaison H-I est très faible. Par conséquent, HI est un grand transféreur de protons et un sacré acide (Ka ~ 109 M).
Polarité des liaisons et acides
Lorsque l’on compare des acides qui ont des atomes ‘A’ dans la même rangée, les différences de polarité des liaisons sont plus importantes pour déterminer la force de l’acide. C’est parce que les différences de force de liaison sont beaucoup plus petites entre les atomes proches les uns des autres dans la même rangée.
La polarité des liaisons est largement déterminée par la différence d’électronégativité entre les deux atomes impliqués dans la liaison. L’électronégativité est fondamentalement à quel point un atome veut des électrons. Pensez à l’électronégativité comme une mesure de l’écrasement des électrons d’un atome. Oui, nous parlons du béguin pour les boys bands. Pour les liaisons qui impliquent un atome qui a un énorme béguin pour les électrons et un atome qui ne ressent pas l’amour des électrons, la liaison a tendance à être vraiment polaire. Les électrons réciproquent le béguin et vont vers l’atome qui les aime le plus. N’est-ce pas agréable ?
La liaison de l’acide fluorhydrique (HF) est polaire parce que F aime vraiment les électrons. Comparons cela à CH4. Le carbone est dans la même rangée que le fluor (regardez la figure ci-dessus), mais HF est un acide beaucoup plus fort que CH4. Les liaisons C-H ne sont pas polaires par rapport à la liaison H-F. CH4 est un acide vraiment faible.
Voici une autre classe d’acides qui ont également des forces prévisibles basées sur le tableau périodique : les oxoacides. Ils ont la formule générale, HnYOm.
Certains exemples du monde réel sont H2CO3, H2PO4, et HNO3. Ces acides contiennent une liaison O-H qui se dissocie pour former un ion hydronium et une base conjuguée :
(Remarque : dans cette section, lorsque nous disons » atome Y « , nous ne voulons pas dire yttrium. Nous utilisons le Y comme un substitut pour un élément).
Plus un acide est fort, plus le côté droit de l’équilibre est favorisé. Plus l’atome Y est capable de stabiliser le produit Y-O- chargé négativement sur le côté droit de l’équilibre, plus l’acide sera fort.
Si Y a un grand écrasement d’électrons (est très électronégatif), il sera heureux de se trouver du côté droit de l’équilibre. C’est parce qu’il y a plus d’électrons sur la molécule du côté droit de l’équilibre. Même si Y n’a pas les électrons pour lui tout seul, il est quand même satisfait de savoir que l’atome d’oxygène voisin en profite. N’est-ce pas agréable ?
Dans l’ensemble, plus l’atome Y est électronégatif, mieux il peut stabiliser le produit Y-O- et plus l’acide sera fort. La série des acides hypohalogènes montre bien l’augmentation de la force de l’acide avec l’augmentation de l’électronégativité de l’atome Y (dans ce cas, un atome d’halogène).
Chaque fois que la liaison O-H est affaiblie, l’acide sera plus fort. Dans l’exemple ci-dessus, la liaison O-H est affaiblie en augmentant l’électronégativité de l’atome Y. Considérez l’atome Y comme un aspirateur d’électrons qui aspire les électrons de la liaison O-H afin qu’ils ne soient plus partagés avec le proton et finissent sur la molécule de base conjuguée. Plus le vide qui aspire les électrons hors de la liaison est fort, plus l’acide sera fort.
Le même principe vaut pour les acides qui contiennent le même atome Y mais un nombre différent d’atomes d’oxygène. Les atomes d’oxygène sont aussi comme des aspirateurs d’électrons. Ils affaiblissent la liaison O-H par l’intermédiaire de l’atome Y central et stabilisent le produit chargé négativement. Par conséquent, plus les atomes d’oxygène sont attachés à l’atome Y central, plus l’acide HnYOm est fort.
La série des oxoacides du chlore illustre ce que nous voulons dire :
En augmentant le nombre d’atomes d’oxygène qui sont attachés à l’atome central, on augmente également le nombre d’oxydation de l’atome central. Un nombre d’oxydation élevé de l’atome central représente une charge positive sur cet atome.
Puisque les charges opposées s’attirent, un atome central très positif serait plus attiré par la charge négative du couple d’électrons solitaires sur l’atome d’oxygène voisin. Pour que l’oxygène voisin obtienne les électrons solitaires convoités, il transfère un proton et agit comme un acide.
Bien que les tendances et les exemples ci-dessus soient utiles, vous aurez inévitablement des rencontres rapprochées avec des molécules extraterrestres. Cela nous rappelle un vieux film de Spielberg. Lorsque nous devons comparer l’acidité de molécules que nous n’avons pas vues auparavant, essayez de déterminer combien d’aspirateurs d’électrons (s’il y en a) il y a sur la molécule. Ces atomes « aspirateurs » sont généralement ceux qui ont une électronégativité élevée, comme l’oxygène. Ces atomes stabilisent la paire d’électrons solitaires qui se forme généralement lorsqu’un acide transfère un proton. Plus la molécule est capable de stabiliser les électrons supplémentaires, plus elle sera forte en tant qu’acide.