Właściwości, które określają siłę kwasu
Najgorętsze nowe trendy dla kwasów
Do tej pory widzieliśmy kilka definicji kwasu, z najbardziej popularną jest ta Brønsteda-Lowry’ego, która mówi nam, że kwas przenosi proton. Przyjrzeliśmy się również przykładom silnych i słabych kwasów oraz temu, jak wygląda ich równowaga w wodzie. Aż do tej sekcji, możemy dowiedzieć się względnej siły kwasu, znając jego stałą dysocjacji kwasu: im większa stała dysocjacji kwasu, tym silniejszy kwas.
W duchu keepin’ it real and honest, to prawdopodobnie najlepiej po prostu zapamiętać kilka kwasów (i zasad), które już przeszliśmy i czy są one silne czy słabe. Jeśli zapomnisz kilku, porozmawiamy o właściwościach, które określają siłę kwasu w tej sekcji – to może ci pomóc, jeśli znajdziesz się w kłopotliwej sytuacji.
Tablica Okresowa jest w zasadzie chemiczną mapą skarbów. Nie może być garnek złota ukryty w nim, ale może pomóc Ci ace następny test. Będziemy się do niego odwoływać w tym przewodniku, aby pomóc przewidzieć siłę kwasu.
Dwa duże predyktory siły kwasu to siła wiązania H-A i polarność wiązania H-A. Obie właściwości mogą być odwzorowane w układzie okresowym i wykazują pewne tendencje.
Siła wiązań i kwasy
Przyjrzyjmy się sile halogenów (Grupa 7) zawierających kwasy HF, HCl, HBr i HI.
Siła wiązania kwasu generalnie zależy od wielkości atomu 'A’: im mniejszy atom 'A’, tym silniejsze wiązanie H-A. Kiedy idziemy w dół rzędu w Układzie Okresowym (patrz rysunek poniżej), atomy stają się większe, więc siła wiązań słabnie, co oznacza, że kwasy stają się mocniejsze. Dla powyższych kwasów zawierających halogeny, HF ma najsilniejsze wiązanie i jest najsłabszym kwasem. Silne wiązanie między bardziej podobnej wielkości atomami „H” i „F” nie chce pęknąć i pozwolić na przeniesienie „H”.
HI, z drugiej strony, jest bardzo silnym kwasem. Duży atom 'I’ obezwładnia bezradne małe 'H’, a wiązanie H-I jest bardzo słabe. Dlatego HI jest świetnym przenośnikiem protonów i niezłym kwasem (Ka ~ 109 M).
Polaryzacja wiązań a kwasy
Przy porównywaniu kwasów, które mają atomy 'A’ w tym samym rzędzie, różnice w polaryzacji wiązań są ważniejsze w określaniu siły kwasu. To dlatego, że różnice siły wiązania są znacznie mniejsze między atomami znajdującymi się w pobliżu siebie w tym samym rzędzie.
Polaryzacja wiązania jest w dużej mierze określona przez różnicę elektroujemności pomiędzy dwoma atomami zaangażowanymi w wiązanie. Electronegativity jest w zasadzie jak bardzo atom chce elektronów. Pomyśl o elektronegatywności jako o miarze miażdżyciela elektronów w atomie. Tak, mówimy o rodzaju chłopięcego zespołu. Dla wiązań, które zawierają atom, który ma wielkie elektronowe zauroczenie i atom, który po prostu nie czuje elektronowej miłości, wiązanie ma tendencję do bycia naprawdę polarnym. Elektrony odwzajemniają zauroczenie i idą do atomu, który lubi je najbardziej. Czy to nie jest miłe?
Kwas fluorowodorowy (HF) wiązanie jest polarne, ponieważ F naprawdę kocha elektrony. Porównajmy to z CH4. Węgiel jest w tym samym rzędzie co fluor (sprawdź powyższy rysunek), ale HF jest znacznie silniejszym kwasem niż CH4. Wiązania C-H nie są polarne w porównaniu do wiązania H-F. CH4 jest naprawdę słaby kwas.
Jest jeszcze jedna klasa kwasów, które również mają przewidywalne siły w oparciu o układ okresowy: oksokwasy. Mają one ogólny wzór, HnYOm.
Kilka przykładów z prawdziwego świata to H2CO3, H2PO4 i HNO3. Kwasy te zawierają wiązanie O-H, które dysocjuje, tworząc jon hydroniowy i sprzężoną zasadę:
(Uwaga: W tej sekcji, kiedy mówimy „atom Y”, nie mamy na myśli itru. Używamy Y jako symbolu pierwiastka).
Im silniejszy jest kwas, tym bardziej prawa strona równowagi jest faworyzowana. Im bardziej atom Y jest w stanie ustabilizować Y-O- ujemnie naładowany produkt po prawej stronie równowagi, tym silniejszy kwas będzie.
Jeśli Y ma duże zgniatanie elektronów (jest wysoce elektronegatywny) będzie szczęśliwy, aby być po prawej stronie równowagi. To dlatego, że istnieje więcej elektronów na cząsteczce po prawej stronie równowagi. Nawet jeśli Y nie dostaje elektronów całych dla siebie, to i tak ma pewną satysfakcję z tego, że sąsiedni atom tlenu się nimi cieszy. Czy to nie jest miłe?
Ogółem, im bardziej elektronegatywny jest atom Y, tym lepiej może ustabilizować produkt Y-O- i tym silniejszy będzie kwas. Seria kwasów hipohalogenowych dobrze pokazuje rosnącą siłę kwasu przy rosnącej elektroujemności atomu Y (w tym przypadku atomu halogenu).
Zawsze, gdy wiązanie O-H jest osłabione, tym mocniejszy będzie kwas. W powyższym przykładzie, wiązanie O-H jest osłabione przez zwiększenie elektroujemności atomu Y. Pomyśl o atomie Y jak o odkurzaczu elektronowym, który wysysa elektrony z wiązania O-H tak, że nie są one już dzielone z protonem i kończą się na sprzężonej cząsteczce zasady. Im silniejsza jest próżnia wyciągająca elektrony z wiązania, tym silniejszy będzie kwas.
Ta sama zasada dotyczy kwasów, które zawierają ten sam atom Y, ale różne liczby atomów tlenu. Atomy tlenu są również jak odkurzacze elektronów. Osłabiają one wiązanie O-H przez centralny atom Y i stabilizują ujemnie naładowany produkt. W rezultacie, im więcej atomów tlenu jest dołączonych do centralnego atomu Y, tym silniejszy jest kwas HnYOm.
Seria kwasów tlenowych chloru ilustruje, co mamy na myśli:
Zwiększanie liczby atomów tlenu, które są dołączone do atomu centralnego, zwiększa również liczbę utlenienia atomu centralnego. Wysokie liczby utlenienia atomu centralnego reprezentują dodatni ładunek na tym atomie.
Skoro przeciwne ładunki się przyciągają, bardzo dodatni atom centralny byłby bardziej przyciągany do ujemnego ładunku z pary elektronów na sąsiednim atomie tlenu. W celu sąsiedniego tlenu, aby uzyskać pożądane elektrony samotnej pary, przenosi proton i działa jako kwas.
Pomimo, że powyższe tendencje i przykłady będą przydatne, nieuchronnie będziesz miał bliskie spotkania z obcymi cząsteczkami. Przypomina nam to pewien stary film Spielberga. Kiedy musimy porównać kwasowość cząsteczek, których wcześniej nie widzieliśmy, spróbujmy określić, ile elektronowych odkurzaczy (jeśli w ogóle) znajduje się w cząsteczce. Te „odkurzające” atomy to zazwyczaj te o wysokiej elektroujemności, jak tlen. Atomy te stabilizują samotną parę elektronów, która zwykle powstaje, gdy kwas przenosi proton. Im lepiej cząsteczka może ustabilizować dodatkowe elektrony, tym silniejsza będzie jako kwas.