A savak erősségét meghatározó tulajdonságok
A savak legforróbb új trendjei
Eleddig láttunk néhány definíciót a savról, a legnépszerűbb a Brønsted-Lowry-féle, amely szerint a sav protonokat ad át. Megnéztünk példákat erős és gyenge savakra és arra is, hogyan alakul az egyensúlyuk a vízben. Eddig a részig egy sav relatív erősségét a sav-dissociációs állandó ismeretében tudtuk megállapítani: minél nagyobb a sav-dissociációs állandó, annál erősebb a sav.
Az őszinteség és a realitás szellemében valószínűleg a legjobb, ha csak megjegyezünk egy csomó savat (és bázist), amelyeket már átvettünk, és azt, hogy erősek vagy gyengék. Ha elfelejtettél néhányat, ebben a részben beszélni fogunk a savak erősségét meghatározó tulajdonságokról – ez talán kisegít, ha bajban találod magad.
A periódusos rendszer tulajdonképpen egy kémiai kincses térkép. Lehet, hogy nincs benne elrejtve egy fazéknyi arany, de talán segíthet a következő vizsgádon. Ebben az útmutatóban hivatkozni fogunk rá, hogy segítsen megjósolni a savak erősségét.
A savak erősségének két nagy előrejelzője a H-A kötés erőssége és a H-A kötés polaritása. Mindkét tulajdonság leképezhető a periódusos rendszerre, és bizonyos tendenciákat követ.
Kötéserősség és savak
Vizsgáljuk meg a halogéntartalmú (7. csoport) HF, HCl, HBr és HI savak erősségét.
A savak kötéserőssége általában az “A” atom méretétől függ: minél kisebb az “A” atom, annál erősebb a H-A kötés. A periódusos rendszerben egy sorban lejjebb haladva (lásd az alábbi ábrát) az atomok egyre nagyobbak lesznek, így a kötések erőssége gyengül, ami azt jelenti, hogy a savak erősebbek lesznek. A fenti halogéntartalmú savak közül a HF rendelkezik a legerősebb kötéssel és a leggyengébb sav. A több hasonló méretű “H” és “F” atomok közötti erős kötés nem akar elszakadni és lehetővé teszi a “H” átvitelét.
AHI ezzel szemben egy nagyon erős sav. A nagy ‘I’ atom legyőzi a tehetetlen kis ‘H’ atomot, és a H-I kötés nagyon gyenge. Ezért a HI nagyszerű protonátadó és egy fene nagy sav (Ka ~ 109 M).
Kötéspolaritás és savak
Az azonos sorban lévő “A” atomokkal rendelkező savak összehasonlításakor a kötéspolaritásbeli különbségek fontosabbak a savak erősségének meghatározásában. Ez azért van, mert az azonos sorban egymáshoz közeli atomok között sokkal kisebbek a kötéserősségbeli különbségek.
A kötés polaritását nagyrészt a kötésben részt vevő két atom közötti elektronegativitáskülönbség határozza meg. Az elektronegativitás alapvetően azt jelenti, hogy egy atom mennyire kívánja az elektronokat. Gondoljunk az elektronegativitásra úgy, mint egy atom elektronzúzásának mértékére. Igen, a fiúzenekarok iránti rajongásról beszélünk. Azoknál a kötéseknél, amelyekben egy atom nagyon szereti az elektronokat, és egy másik atom nem érzi az elektronszeretetet, a kötés általában nagyon poláris. Az elektronok viszonozzák a rajongást, és azt az atomot választják, amelyik a legjobban szereti őket. Hát nem szép?
A fluorsav (HF) kötés poláris, mert az F nagyon szereti az elektronokat. Hasonlítsuk ezt össze a CH4-gyel. A szén ugyanabban a sorban van, mint a fluor (nézd meg a fenti ábrát), de a HF sokkal erősebb sav, mint a CH4. A C-H kötések nem polárisak a H-F kötéshez képest. A CH4 egy igazán gyenge sav.
Itt van a savak egy másik osztálya, amelyek erőssége szintén kiszámítható a periódusos rendszer alapján: az oxosavak. Ezek általános képlete: HnYOm.
Egy pár valós példa a H2CO3, a H2PO4 és a HNO3. Ezek a savak egy O-H kötést tartalmaznak, amely egy hidróniumion és egy konjugált bázis képződésével disszociál:
(Megjegyzés: Ebben a részben, amikor azt mondjuk, hogy “Y atom”, nem az ittriumra gondolunk. Az Y-t egy elem helyőrzőjeként használjuk).
Minél erősebb egy sav, annál inkább az egyensúly jobb oldala részesül előnyben. Minél inkább képes az Y atom stabilizálni az Y-O- negatív töltésű terméket az egyensúly jobb oldalán, annál erősebb lesz a sav.
Ha az Y-nak nagy elektronzúzása van (erősen elektronegatív), akkor örömmel helyezkedik el az egyensúly jobb oldalán. Ez azért van, mert az egyensúly jobb oldalán több elektron van a molekulán. Még ha Y nem is kapja meg az összes elektront magának, mégis némi elégedettséggel tölti el a tudat, hogy a szomszédos oxigénatom is élvezi őket. Hát nem szép?
Összességében minél elektronegatívabb az Y atom, annál jobban tudja stabilizálni az Y-O- terméket, és annál erősebb lesz a sav. A hipohalogénsav-sorozat jól mutatja a saverősség növekedését az Y atom (ebben az esetben egy halogénatom) elektronegativitásának növekedésével.
Ahányszor az O-H kötés gyengül, annál erősebb lesz a sav. A fenti példában az O-H kötést az Y atom elektronegativitásának növelésével gyengítjük. Gondoljunk az Y atomra úgy, mint egy elektronporszívóra, amely kiszívja az elektronokat az O-H kötésből, így azok már nem osztoznak a protonnal, és a konjugált bázis molekulán kötnek ki. Minél erősebb az elektronokat a kötésből kihúzó vákuum, annál erősebb lesz a sav.
Ugyanez az elv érvényes azokra a savakra, amelyek ugyanazt az Y atomot, de különböző számú oxigénatomot tartalmaznak. Az oxigénatomok is olyanok, mint az elektronporszívók. A központi Y atomon keresztül gyengítik az O-H kötést, és stabilizálják a negatív töltésű terméket. Ennek eredményeként minél több oxigénatom kapcsolódik a központi Y atomhoz, annál erősebb a HnYOm sav.
A klór oxosavak sorozata szemlélteti, hogy mire gondolunk:
A központi atomhoz kapcsolódó oxigénatomok számának növekedésével a központi atom oxidációs száma is nő. A központi atom magas oxidációs száma pozitív töltést jelent az adott atomon.
Mivel az ellentétes töltések vonzzák egymást, egy nagyon pozitív központi atomot jobban vonzana a szomszédos oxigénatomon lévő magányos elektronpár negatív töltése. Annak érdekében, hogy a szomszédos oxigén megkapja az áhított magányos pár elektronokat, átad egy protont, és savként viselkedik.
Míg a fenti tendenciák és példák hasznosak lesznek, elkerülhetetlenül közeli találkozásra kerülsz idegen molekulákkal. Egy régi Spielberg filmre emlékeztet. Amikor olyan molekulák savasságát kell összehasonlítanunk, amelyeket még nem láttunk, próbáljuk meg meghatározni, hogy hány elektronporszívó (ha van egyáltalán) van a molekulán. Ezek a “porszívó” atomok jellemzően a nagy elektronegativitású atomok, mint például az oxigén. Ezek az atomok stabilizálják a magányos elektronpárt, amely általában akkor keletkezik, amikor egy sav egy protont ad át. Minél jobban képes a molekula stabilizálni az extra elektronokat, annál erősebb lesz savként.