Proprietăți care determină tăria unui acid
Cele mai noi tendințe pentru acizi
Până acum am văzut câteva definiții ale unui acid, cea mai populară fiind cea a lui Brønsted-Lowry, care ne spune că un acid transferă protoni. De asemenea, am analizat exemple de acizi puternici și acizi slabi și modul în care se desfășoară echilibrele lor în apă. Până la această secțiune, ne puteam da seama de puterea relativă a unui acid cunoscând constanta de disociere a acestuia: cu cât constanta de disociere a acidului este mai mare, cu atât acidul este mai puternic.
În spiritul păstrării realității și onestității, probabil că cel mai bine este să memorați doar o grămadă de acizi (și baze) pe care i-am analizat deja și dacă sunt puternici sau slabi. Dacă uitați câțiva, vom vorbi despre proprietățile care determină puterea acizilor în această secțiune – s-ar putea să vă ajute dacă vă aflați într-o încurcătură.
Tabloul periodic este practic o hartă a comorilor din chimie. S-ar putea să nu fie o oală de aur ascunsă în ea, dar s-ar putea să vă ajute să treceți cu brio următorul test. Ne vom referi la el în acest ghid pentru a vă ajuta să preziceți puterea unui acid.
Doi predictori importanți ai puterii unui acid sunt puterea legăturii H-A și polaritatea legăturii H-A. Ambele proprietăți pot fi cartografiate pe tabelul periodic și urmează anumite tendințe.
Rezistența legăturii și acizii
Să aruncăm o privire la rezistența acizilor care conțin halogeni (grupa 7) HF, HCl, HBr și HI.
Rezistența legăturii unui acid depinde, în general, de mărimea atomului „A”: cu cât atomul „A” este mai mic, cu atât legătura H-A este mai puternică. Atunci când se coboară pe un rând din tabelul periodic (vezi figura de mai jos), atomii devin mai mari, astfel încât puterea legăturilor devine mai slabă, ceea ce înseamnă că acizii devin mai puternici. În cazul acizilor cu halogen de mai sus, HF are cea mai puternică legătură și este cel mai slab acid. Legătura puternică dintre atomii „H” și „F” de dimensiuni mai apropiate nu vrea să se rupă și să permită transferul lui „H”.
HI, pe de altă parte, este un acid foarte puternic. Atomul mare de ‘I’ îl copleșește pe micul și neajutoratul ‘H’, iar legătura H-I este foarte slabă. Prin urmare, HI este un mare transferator de protoni și un acid al naibii de puternic (Ka ~ 109 M).
Polaritatea legăturii și acizii
Când se compară acizi care au atomi ‘A’ în același rând, diferențele de polaritate a legăturii sunt mai importante în determinarea puterii acidului. Acest lucru se datorează faptului că diferențele de rezistență a legăturilor sunt mult mai mici între atomii apropiați unul de celălalt în același rând.
Polaritatea legăturii este determinată în mare măsură de diferența de electronegativitate dintre cei doi atomi implicați în legătură. Electronegativitatea este, practic, cât de mult își dorește un atom să aibă electroni. Gândiți-vă la electronegativitate ca la o măsură a zdrobirii de electroni a unui atom. Da, ne referim la o pasiune de genul „boy band”. În cazul legăturilor care implică un atom care are o mare pasiune pentru electroni și un atom care pur și simplu nu simte dragostea pentru electroni, legătura tinde să fie foarte polară. Electronii își răspund reciproc la această atracție și se îndreaptă spre atomul care îi place cel mai mult. Nu este frumos?
Legătura acidului fluorhidric (HF) este polară deoarece F iubește cu adevărat electronii. Să comparăm acest lucru cu CH4. Carbonul este în același rând cu fluorul (verificați figura de mai sus), dar HF este un acid mult mai puternic decât CH4. Legăturile C-H nu sunt polare în comparație cu legătura H-F. CH4 este un acid foarte slab.
Iată o altă clasă de acizi care au, de asemenea, puteri previzibile pe baza tabelului periodic: oxoacizii. Aceștia au formula generală, HnYOm.
Câteva exemple din lumea reală sunt H2CO3, H2PO4 și HNO3. Acești acizi conțin o legătură O-H care se disociază pentru a forma un ion de hidroniu și o bază conjugată:
(Notă: În această secțiune, când spunem „atom Y”, nu ne referim la ytriu. Folosim Y ca un simbol pentru un element).
Cu cât un acid este mai puternic, cu atât mai mult este favorizată partea dreaptă a echilibrului. Cu cât atomul Y este mai capabil să stabilizeze produsul cu sarcină negativă Y-O- pe partea dreaptă a echilibrului, cu atât mai puternic va fi acidul.
Dacă Y are o zdrobire mare de electroni (este foarte electronegativ) va fi fericit să se afle pe partea dreaptă a echilibrului. Asta pentru că există mai mulți electroni pe molecula de pe partea dreaptă a echilibrului. Chiar dacă Y nu primește electronii numai pentru el, tot primește o oarecare satisfacție știind că atomul de oxigen vecin se bucură de ei. Nu-i așa că este plăcut?
În general, cu cât atomul Y este mai electronegativ, cu atât mai bine poate stabiliza produsul Y-O- și cu atât mai puternic va fi acidul. Seria acizilor hipohalogenați face o treabă bună arătând creșterea puterii acide odată cu creșterea electronegativității atomului Y (în acest caz, un atom de halogen).
În orice moment în care legătura O-H este slăbită, cu atât mai puternic va fi acidul. În exemplul de mai sus, legătura O-H este slăbită prin creșterea electronegativității atomului Y. Gândiți-vă la atomul Y ca la un aspirator de electroni care aspiră electronii din legătura O-H pentru ca aceștia să nu mai fie împărțiți cu protonul și să ajungă pe molecula bazei conjugate. Cu cât este mai puternic vidul care scoate electronii din legătură, cu atât mai puternic va fi acidul.
Același principiu este valabil și pentru acizii care conțin același atom Y, dar un număr diferit de atomi de oxigen. Atomii de oxigen sunt, de asemenea, ca niște aspiratoare de electroni. Ei slăbesc legătura O-H prin intermediul atomului Y central și stabilizează produsul încărcat negativ. Ca urmare, cu cât mai mulți atomi de oxigen sunt atașați de atomul Y central, cu atât mai puternic este acidul HnYOm.
Seria de oxoacizi ai clorului ilustrează ceea ce vrem să spunem:
Creșterea numărului de atomi de oxigen care sunt atașați de atomul central crește și numărul de oxidare al atomului central. Un număr mare de oxidare al atomului central reprezintă o sarcină pozitivă pe acel atom.
Din moment ce sarcinile opuse se atrag, un atom central foarte pozitiv ar fi mai atras de sarcina negativă de la perechea de electroni singuratici de pe atomul de oxigen vecin. Pentru ca oxigenul vecin să primească perechea de electroni singuratici râvniți, acesta transferă un proton și acționează ca un acid.
În timp ce tendințele și exemplele de mai sus vor fi utile, veți avea în mod inevitabil întâlniri apropiate cu molecule extraterestre. Ne amintește de un film vechi al lui Spielberg. Când trebuie să comparăm aciditatea unor molecule pe care nu le-am mai văzut până acum, încercați să determinați câte aspiratoare de electroni (dacă există) există pe moleculă. Acești atomi „aspiratori” sunt, de obicei, cei cu electronegativități ridicate, cum ar fi oxigenul. Acești atomi stabilizează perechea solitară de electroni care rezultă de obicei atunci când un acid transferă un proton. Cu cât molecula poate stabiliza mai bine electronii suplimentari, cu atât va fi mai puternică ca acid.