15.13
قوة الحمض والبنية الجزيئية
الأحماض والقواعد الثنائية
في حالة عدم وجود أي تأثير تسوية ، تزداد القوة الحمضية للمركبات الثنائية للهيدروجين مع اللافلزات (A) مع انخفاض قوة رابطة H-A…
حمض الهيدروكلوريك من الأحماض القوية،بينما حمض الهيدروفلوريك من الأحماض الضعيفة. لكن ما الذي يحدد قوتهما؟قوة الأحماض الهيدروجينية،المكونة من عنصرين فقط،تعتمد على طاقة الرابطة وقطبيتها. وإذا كانت طاقة الرابطة في حمض ما أعلى،تكون الرابطة أقوى وبالتالي يكون الحمض أضعف.
بمقارنة الأحماض ضمن مجموعة،يكون تحطيم الرابطة في حمض ضعيف،كحمض الهيدروفلوريك أصعب،لذا تضعف احتمالية أن يمنح الحمض بروتونات. وعلى العكس،الحمض الذي طاقة رابطته أقل تكون الرابطة فيه أضعف وبالتالي يكون الحمض أقوى. على سبيل المثال،الرابطة في حمض قوي كحمض الهيدروكلوريك،تتحطم بسهولة أكبر ويمنح بروتونات بشكل أسرع من حمض الهيدروفلوريك.
رابطة كتلك التي في حمض الهيدروكلوريك،تكون قطبية،عندما تكون السالبية الكهربائية لإحدى الذرات أعلى منها للذرة الأخرى. يمكن للمركب أن يؤدي دور الحمض،حين تكون السالبية الكهربائية للذرة المرتبطة بالهيدروجين أعلى من سالبية الهيدروجين. ستكون للذرة شحنة سالبة جزئية،تسمح للهيدروجين بامتلاك شحنة موجبة جزئية،يمكن إطلاقها على شكل بروتون.
حين تكون قطبية الحمض أعلى،تكون رابطته أضعف وبالتالي يكون حمضًا أقوى. بمقارنة المركبات في فترة زمنية،فإن حمض الهيدروكلوريك أقوى من كبريتيد الهيدروجين،لأن السالبية الكهربائية للكلور أعلى منها للكبريت وبالتالي،فإنه يطلق البروتونات بسهولة أكثر. إذا كان سالبية الهيدروجين،مساوية أو أعلى منها في الذرة الأخرى،لا يستطيع ذلك الجزيء أن يمنح بروتونات وبالتالي لا يستطيع أن يؤدي دور الحمض.
الأحماض الأكسجينية،التي تكون فيها OH مرتبطة بذرة ثالثة،سالبيتها الكهربائية أعلى من الهيدروجين. تعتمد قوة الحمض الأكسجيني على السالبية الكهربائية وعدد ذرات الأكسجين المرتبطة بالذرة الثالثة. كلما ارتفعت السالبية الكهربائية للذرة،زادت قدرتها على الاستقطاب،مما يضعف الرابطة بين الأكسجين والهيدروجين.
إذا كانت الذرة المركزية مرتبطة بذرات أكسجين إضافية،فإنها تزيد من قطبية الرابطة بين الأكسجين والهيدروجين. على سبيل المثال،حمض البيركلوريك،الذي فيه ثلاث ذرات أكسجين إضافية،أقوى من حمض الكلوريك الذي فيه ذرّتي أكسجين إضافيتين. وفي المقابل فإن حمض الكلوريك أقوى من حمض الكلوروز،الذي فيه ذرة أكسجين إضافية واحدة فقط؛وأقوى من حمض الهيبوكلوروز،الذي لا توجد فيه ذرات أكسجين إضافية.
الأحماض الكربوكسيلية،أحماض ضعيفة تحتوي على مجموعة كربوكسيل. ذرة الأكسجين الثانية تجعل الرابطة بين الأكسجين والهيدروجين أكثر قطبية،وبالتالي تسمح للجزيء بمنح بروتون. حمض الخليك،وحمض الفورميك مثالين على الأحماض الكربوكسيلية.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: Why is hydrochloric acid stronger than hydrofluoric acid?
Hydrochloric acid is stronger because it has lower bond energy than hydrofluoric acid. A weaker H-Cl bond breaks more easily, allowing the acid to donate protons readily. In contrast, hydrofluoric acid has a stronger, harder-to-break H-F bond, making it less likely to release protons and therefore a weaker acid.
Q2: How does electronegativity affect acid strength in binary acids?
Higher electronegativity of the atom bonded to hydrogen increases bond polarity, making the hydrogen more likely to be released as a proton. The electronegative atom attracts electrons, giving hydrogen a partial positive charge. Comparing across a period, hydrochloric acid is stronger than hydrogen sulfide because chlorine is more electronegative than sulfur.
Q3: What makes oxyacids stronger when additional oxygen atoms are added?
Additional oxygen atoms bonded to the central atom increase the polarity of the oxygen-hydrogen bond, weakening it and making proton release easier. Perchloric acid with three additional oxygens is stronger than chloric acid with two, which is stronger than chlorous acid with one. This pattern demonstrates how oxygen atoms progressively enhance acid strength.
Q4: Why are carboxylic acids considered weak acids?
Carboxylic acids are weak acids because the second oxygen atom attached to the carbon increases the polarity of the oxygen-hydrogen bond, weakening it only partially. Additionally, after losing a proton, the carboxylate ion exhibits resonance, which stabilizes the negative charge by delocalizing it over several atoms, preventing complete ionization in water.
Q5: How does bond energy determine whether a binary acid is strong or weak?
An acid with higher bond energy has a stronger bond that resists breaking, making it a weaker acid because protons are less readily donated. Conversely, an acid with lower bond energy has a weaker bond that breaks easily, allowing protons to be released more readily and making it a stronger acid. Bond strength is therefore inversely related to acid strength.
Q6: What determines whether a hydrogen-containing molecule can act as an acid?
A molecule can act as an acid only when the atom bonded to hydrogen has higher electronegativity than hydrogen itself. This creates a polar bond where the atom has a partial negative charge and hydrogen has a partial positive charge, allowing hydrogen to be released as a proton. If hydrogen has equal or greater electronegativity, the molecule cannot donate protons.
Q7: How does the oxidation number of the central atom affect oxyacid strength?
Increasing the oxidation number of the central atom increases the acid's strength because it enhances the atom's attraction for electrons shared with oxygen, thereby weakening the oxygen-hydrogen bond. Sulfuric acid with sulfur oxidation number +6 is more acidic than sulfurous acid with +4. Similarly, nitric acid with nitrogen oxidation number +5 is stronger than nitrous acid with +3.