Egenskaper som bestämmer syrans styrka
De hetaste nya trenderna för syror
Så här långt har vi sett några definitioner av en syra, där den populäraste är Brønsted-Lowry-definitionen som säger att en syra överför protoner. Vi har också tittat på exempel på starka syror och svaga syror och hur deras jämvikter i vatten utspelar sig. Fram till det här avsnittet kunde vi räkna ut en syras relativa styrka genom att känna till dess syra-dissociationskonstant: ju större syra-dissociationskonstanten är, desto starkare är syran.
För att hålla det verkligt och ärligt är det förmodligen bäst att bara memorera en massa syror (och baser) som vi redan har gått igenom och om de är starka eller svaga. Om du glömmer några kommer vi att prata om de egenskaper som bestämmer syrans styrka i det här avsnittet – det kan hjälpa dig om du hamnar i knipa.
Det periodiska systemet är i princip en kemisk skattkarta. Det kanske inte finns någon guldgruva gömd i den, men den kan hjälpa dig att klara ditt nästa prov. Vi kommer att hänvisa till den i den här guiden för att hjälpa till att förutsäga syrestyrka.
De två stora förutsägelsefaktorerna för syrastyrka är H-A-bindningens styrka och H-A-bindningens polaritet. Båda egenskaperna kan kartläggas på det periodiska systemet och följer vissa trender.
Bindningsstyrka och syror
Låt oss ta en titt på styrkan hos de halogeninnehållande (grupp 7) syrorna HF, HCl, HBr och HI.
Bindningsstyrkan hos en syra beror i allmänhet på storleken på A-atomen: ju mindre A-atomen är, desto starkare är H-A-bindningen. När man går nedåt en rad i det periodiska systemet (se figuren nedan) blir atomerna större så bindningsstyrkan blir svagare, vilket innebär att syrorna blir starkare. För de halogenhaltiga syrorna ovan har HF den starkaste bindningen och är den svagaste syran. Den starka bindningen mellan de mer lika stora ”H”- och ”F”-atomerna vill inte brytas och tillåta att ”H” överförs.
HI är däremot en mycket stark syra. Den stora ’I’-atomen övermannar den hjälplösa lilla ’H’ och H-I-bindningen är mycket svag. Därför är HI en stor protonöverförare och en jäkla syra (Ka ~ 109 M).
Bindningspolaritet och syror
När man jämför syror som har ”A”-atomer i samma rad är skillnaderna i bindningspolaritet viktigare för att bestämma syrans styrka. Det beror på att skillnaderna i bindningsstyrka är mycket mindre mellan atomer som ligger nära varandra i samma rad.
Bindningspolaritet bestäms till stor del av elektronegativitetsskillnaden mellan de två atomer som är inblandade i bindningen. Elektronegativitet är i princip hur mycket en atom vill ha elektroner. Tänk på elektronegativitet som ett mått på en atoms elektronkrossning. Ja, vi pratar om pojkbandsförälskelsen. För bindningar som involverar en atom som har en enorm elektronkärlek och en atom som helt enkelt inte känner elektronkärlek, tenderar bindningen att vara riktigt polär. Elektronerna återgäldar kärleken och går till den atom som gillar dem mest. Är inte det trevligt?
Bindningen av fluorvätesyra (HF) är polär eftersom F verkligen älskar elektroner. Låt oss jämföra detta med CH4. Kolet sitter i samma rad som fluor (se figuren ovan), men HF är en mycket starkare syra än CH4. C-H-bindningarna är inte polära jämfört med H-F-bindningen. CH4 är en riktigt svag syra.
Här är en annan klass av syror som också har förutsägbara styrkor baserade på det periodiska systemet: oxosyrorna. De har den allmänna formeln HnYOm.
Några verkliga exempel är H2CO3, H2PO4 och HNO3. Dessa syror innehåller en O-H-bindning som dissocieras för att bilda en hydroniumjon och en konjugerad bas:
(Observera: När vi i detta avsnitt säger ”Y-atom” menar vi inte yttrium. Vi använder Y som en platshållare för ett grundämne).
Desto starkare en syra är desto mer gynnas den högra sidan av jämvikten. Ju mer Y-atomen kan stabilisera den negativt laddade Y-O-produkten på jämviktens högra sida, desto starkare blir syran.
Om Y har en stor elektronkross (är starkt elektronegativ) kommer den gärna att befinna sig på rätt sida av jämvikten. Det beror på att det finns fler elektroner på molekylen på den högra sidan av jämvikten. Även om Y inte får elektronerna helt för sig själv får den ändå en viss tillfredsställelse av att veta att den närliggande syreatomen njuter av dem. Är inte det trevligt?
Totalt sett är det så att ju mer elektronegativ Y-atomen är, desto bättre kan den stabilisera Y-O-produkten och desto starkare blir syran. Serien av hypohalssyror visar på ett bra sätt den ökande syrestyrkan med ökande elektronegativitet hos Y-atomen (i det här fallet en halogenatom).
Varje gång O-H-bindningen försvagas desto starkare blir syran. I exemplet ovan försvagas O-H-bindningen genom att Y-atomens elektronegativitet ökar. Tänk på Y-atomen som en elektrondammsugare som suger ut elektronerna ur O-H-bindningen så att de inte längre delas med protonen och hamnar på den konjugerade basmolekylen. Ju starkare vakuum som drar ut elektronerna ur bindningen, desto starkare blir syran.
Samma princip gäller för syror som innehåller samma Y-atom men olika antal syreatomer. Syreatomer är också som elektronernas dammsugare. De försvagar O-H-bindningen genom den centrala Y-atomen och stabiliserar den negativt laddade produkten. Följaktligen är HnYOm-syran starkare ju fler syreatomer som är knutna till den centrala Y-atomen.
Serien av klors oxosyror illustrerar vad vi menar:
Om antalet syreatomer som är knutna till den centrala atomen ökar också den centrala atomens oxidationstal. Ett högt oxidationstal för den centrala atomen representerar en positiv laddning på den atomen.
Då motsatta laddningar drar till sig varandra, skulle en mycket positiv centralatom bli mer attraherad av den negativa laddningen från det ensamma elektronparet på den angränsande syreatomen. För att den närliggande syreatomen ska få de eftertraktade lone pair-elektronerna överför den en proton och fungerar som en syra.
Och även om ovanstående tendenser och exempel kommer att vara användbara kommer du oundvikligen att ha nära möten med främmande molekyler. Det påminner om en gammal Spielberg-film. När vi behöver jämföra surheten hos molekyler som vi inte har sett förut, försöker vi avgöra hur många elektrondammsugare (om några) det finns på molekylen. Dessa ”dammsugaratomer” är vanligtvis atomer med hög elektronegativitet, som t.ex. syre. Dessa atomer stabiliserar det ensamma elektronpar som vanligtvis uppstår när en syra överför en proton. Ju bättre molekylen kan stabilisera de extra elektronerna, desto starkare blir den som syra.