Proprietà che determinano la forza degli acidi
Le nuove tendenze più calde per gli acidi
Finora abbiamo visto alcune definizioni di un acido, e la più popolare è quella di Brønsted-Lowry che ci dice che un acido trasferisce protoni. Abbiamo anche visto esempi di acidi forti e acidi deboli e come si svolgono i loro equilibri in acqua. Fino a questa sezione, potevamo capire la forza relativa di un acido conoscendo la sua costante di dissociazione degli acidi: più grande è la costante di dissociazione degli acidi, più forte è l’acido.
Nello spirito di tenerlo reale e onesto, è probabilmente meglio memorizzare un mucchio di acidi (e basi) che abbiamo già esaminato e se sono forti o deboli. Se ne dimenticate qualcuno, parleremo delle proprietà che determinano la forza degli acidi in questa sezione – potrebbe aiutarvi se vi trovate in un pasticcio.
La tavola periodica è fondamentalmente una mappa del tesoro della chimica. Potrebbe non esserci una pentola d’oro nascosta in essa, ma potrebbe aiutarti a superare il tuo prossimo test. Faremo riferimento ad essa in questa guida per aiutare a prevedere la forza degli acidi.
Due grandi predittori della forza dell’acido sono la forza del legame H-A e la polarità del legame H-A. Entrambe le proprietà possono essere mappate sulla tavola periodica e seguono certe tendenze.
Forza del legame e acidi
Diamo un’occhiata alla forza degli acidi contenenti alogeni (gruppo 7) HF, HCl, HBr, e HI.
La forza del legame di un acido dipende generalmente dalla dimensione dell’atomo ‘A’: più piccolo è l’atomo ‘A’, più forte è il legame H-A. Quando si scende di una riga nella tavola periodica (vedi figura sotto), gli atomi diventano più grandi, quindi la forza dei legami diventa più debole, il che significa che gli acidi diventano più forti. Per gli acidi contenenti alogeni di cui sopra, HF ha il legame più forte ed è l’acido più debole. Il forte legame tra gli atomi “H” e “F” di dimensioni più simili non vuole rompersi e permettere all'”H” di trasferirsi.
HI, invece, è un acido molto forte. Il grande atomo di ‘I’ sovrasta la piccola ‘H’ indifesa e il legame H-I è molto debole. Perciò, HI è un grande trasferitore di protoni e un diavolo di acido (Ka ~ 109 M).
Polarità di legame e acidi
Quando si confrontano acidi che hanno atomi ‘A’ nella stessa fila, le differenze di polarità di legame sono più importanti nel determinare la forza dell’acido. Questo perché le differenze di forza di legame sono molto più piccole tra atomi vicini l’uno all’altro nella stessa fila.
La polarità del legame è in gran parte determinata dalla differenza di elettronegatività tra i due atomi coinvolti nel legame. L’elettronegatività è fondamentalmente quanto un atomo vuole gli elettroni. Pensate all’elettronegatività come a una misura dello schiacciamento degli elettroni di un atomo. Sì, stiamo parlando del tipo di cotta da boy band. Per i legami che coinvolgono un atomo che ha un’enorme cotta per gli elettroni e un atomo che semplicemente non sente l’amore degli elettroni, il legame tende ad essere davvero polare. Gli elettroni ricambiano la cotta e vanno verso l’atomo che li ama di più. Non è bello?
Il legame dell’acido fluoridrico (HF) è polare perché F ama molto gli elettroni. Confrontiamo questo con il CH4. Il carbonio è nella stessa fila del fluoro (guarda la figura sopra), ma l’HF è un acido molto più forte del CH4. I legami C-H non sono polari rispetto al legame H-F. CH4 è un acido molto debole.
Ecco un’altra classe di acidi che hanno anche una forza prevedibile basata sulla tavola periodica: gli ossiacidi. Hanno la formula generale, HnYOm.
Alcuni esempi del mondo reale sono H2CO3, H2PO4 e HNO3. Questi acidi contengono un legame O-H che si dissocia per formare uno ione idronio e una base coniugata:
(Nota: In questa sezione, quando diciamo “atomo Y,” non intendiamo l’ittrio. Stiamo usando la Y come segnaposto per un elemento).
Più un acido è forte, più il lato destro dell’equilibrio è favorito. Più l’atomo di Y è in grado di stabilizzare il prodotto Y-O- caricato negativamente sul lato destro dell’equilibrio, più forte sarà l’acido.
Se Y ha un grande schiacciamento di elettroni (è altamente elettronegativo) sarà felice di essere sul lato destro dell’equilibrio. Questo perché ci sono più elettroni nella molecola sul lato destro dell’equilibrio. Anche se Y non ottiene gli elettroni tutti per sé, ottiene comunque una certa soddisfazione nel sapere che l’atomo di ossigeno vicino se li sta godendo. Non è bello?
In generale, più l’atomo di Y è elettronegativo, meglio può stabilizzare il prodotto Y-O- e più forte sarà l’acido. La serie dell’acido ipoaloso fa un buon lavoro mostrando l’aumento della forza dell’acido con l’aumento dell’elettronegatività dell’atomo Y (in questo caso, un atomo di alogeno).
Ogni volta che il legame O-H è indebolito, più forte sarà l’acido. Nell’esempio sopra, il legame O-H viene indebolito aumentando l’elettronegatività dell’atomo Y. Pensate all’atomo Y come a un aspirapolvere di elettroni che succhia gli elettroni dal legame O-H in modo che non vengano più condivisi con il protone e finiscano sulla molecola della base coniugata. Più forte è il vuoto che tira fuori gli elettroni dal legame, più forte sarà l’acido.
Lo stesso principio vale per gli acidi che contengono lo stesso atomo Y ma un numero diverso di atomi di ossigeno. Gli atomi di ossigeno sono anche come aspirapolvere di elettroni. Indeboliscono il legame O-H attraverso l’atomo Y centrale e stabilizzano il prodotto caricato negativamente. Di conseguenza, più atomi di ossigeno sono attaccati all’atomo Y centrale, più forte è l’acido HnYOm.
La serie di ossiacidi di cloro illustra ciò che intendiamo:
Aumentando il numero di atomi di ossigeno che sono attaccati all’atomo centrale aumenta anche il numero di ossidazione dell’atomo centrale. Alti numeri di ossidazione dell’atomo centrale rappresentano una carica positiva su quell’atomo.
Siccome le cariche opposte si attraggono, un atomo centrale molto positivo sarebbe più attratto dalla carica negativa della coppia di elettroni solitari sull’atomo di ossigeno vicino. Affinché l’ossigeno vicino ottenga l’agognata coppia di elettroni solitari, trasferisce un protone e agisce come un acido.
Mentre le tendenze e gli esempi di cui sopra saranno utili, è inevitabile avere incontri ravvicinati con molecole aliene. Ci ricorda un vecchio film di Spielberg. Quando dobbiamo confrontare l’acidità di molecole che non abbiamo mai visto prima, cerchiamo di determinare quanti elettroni aspirapolvere (se ce ne sono) ci sono sulla molecola. Questi atomi “aspirapolvere” sono tipicamente quelli con alta elettronegatività, come l’ossigeno. Questi atomi stabilizzano la coppia solitaria di elettroni che di solito risulta quando un acido trasferisce un protone. Più la molecola è in grado di stabilizzare gli elettroni extra, più forte sarà come acido.