In Ermangelung eines Nivellierungseffekts nimmt die Säurestärke von binären Verbindungen des Wasserstoffs mit Nichtmetallen (A) zu, wenn die H-A-Bindungsstärke um eine Gruppe im Periodensystem abnimmt. Für Gruppe 17 ist die Reihenfolge des zunehmenden Säuregehalts HF < HCl < HBr < HI. Ebenso ist für Gruppe 16 die Reihenfolge der zunehmenden Säurestärke H₂O < H₂S < H₂Se < H₂Te. Über eine Zeile im Periodensystem hinweg nimmt die Säurestärke von binären Wasserstoffverbindungen mit zunehmender Elektronegativität des Nichtmetallatoms zu, da die Polarität der H-A-Bindung zunimmt. Somit ist die Reihenfolge des zunehmenden Säuregehalts (für die Entfernung eines Protons) in der zweiten Reihe CH₄ < NH₃ < H₂O < HF; in der dritten Reihe ist es SiH₄ < PH₃ < H₂S < HCl.

Ternäre Säuren und Basen

Ternäre Verbindungen, die aus Wasserstoff, Sauerstoff und einem dritten Element (“E”) bestehen, können wie in der Abbildung unten dargestellt strukturiert sein. In diesen Verbindungen ist das zentrale E-Atom an ein oder mehrere O-Atome gebunden, und mindestens eines der O-Atome ist auch an ein H-Atom gebunden, was der allgemeinen Summenformel O_mE(OH)_n entspricht. Diese Verbindungen können sauer, basisch oder amphoter sein, abhängig von den Eigenschaften des zentralen E-Atoms. Beispiele für solche Verbindungen sind Schwefelsäure,_O2S(OH)₂, schweflige Säure, OS(OH)₂, Salpetersäure,_O2NOH, Perchlorsäure,_O3ClOH, Aluminiumhydroxid, Al(OH)₃, Calciumhydroxid, Ca(OH)₂ und Kaliumhydroxid, KOH.

Wenn das Zentralatom E eine geringe Elektronegativität aufweist, ist seine Anziehungskraft auf Elektronen gering. Es besteht wenig Tendenz dafür, dass das Zentralatom eine starke kovalente Bindung mit dem Sauerstoffatom eingeht, und die Bindung a zwischen dem Element und dem Sauerstoff wird leichter gebrochen als die Bindung b zwischen Sauerstoff und Wasserstoff. Daher ist Bindung a ionisch, Hydroxidionen werden an die Lösung abgegeben und das Material verhält sich wie eine Base – dies ist bei Ca(OH)₂ und KOH der Fall. Eine geringere Elektronegativität ist charakteristisch für die metallischeren Elemente; Daher bilden die metallischen Elemente ionische Hydroxide, die per Definition basische Verbindungen sind.

Hat das Atom E hingegen eine relativ hohe Elektronegativität, zieht es die Elektronen, die es mit dem Sauerstoffatom teilt, stark an, wodurch eine relativ starke kovalente Bindung entsteht. Die Sauerstoff-Wasserstoff-Bindung, Bindung b, wird dadurch geschwächt, weil Elektronen in Richtung E verschoben werden. Bindung b ist polar und gibt leicht Wasserstoffionen an die Lösung ab, so dass sich das Material wie eine Säure verhält. Hohe Elektronegativitäten sind charakteristisch für die eher nichtmetallischen Elemente. So bilden nichtmetallische Elemente kovalente Verbindungen, die saure −OH-Gruppen enthalten, die als Oxysäuren bezeichnet werden.

Eine Erhöhung der Oxidationszahl des Zentralatoms E erhöht auch den Säuregehalt einer Oxysäure, da dies die Anziehungskraft von E auf die Elektronen erhöht, die es mit Sauerstoff teilt, und dadurch die O-H-Bindung schwächt. Schwefelsäure, H₂SO₄ oder O₂S(OH)₂ (mit einer Schwefeloxidationszahl von +6), ist saurer als die schweflige Säure H₂SO₃ oder OS(OH)₂ (mit einer Schwefeloxidationszahl von +4). Ebenso ist Salpetersäure, HNO₃ oder O₂NOH (N Oxidationszahl = +5), saurer als salpetrige Säure, HNO₂ oder ONOH (N Oxidationszahl = +3). In jedem dieser Paare ist die Oxidationszahl des Zentralatoms für die stärkere Säure größer.

Carbonsäuren

Carbonsäuren enthalten eine Carboxylgruppe. Carbonsäuren sind schwache Säuren, was bedeutet, dass sie in Wasser nicht zu 100% ionisiert sind.

Carbonsäure wirkt wie eine schwache Säure, da wie bei den Oxysäuren der zweite Sauerstoff, der an das Kohlenstoffatom gebunden ist, die Polarität der O-H-Bindung erhöht und sie schwächer macht. Ferner wird nach dem Verlust des Protons die Carboxylgruppe in das Carboxyl-Ion umgewandelt, das eine Resonanz aufweist. Die unterschiedlichen Resonanzstrukturen stabilisieren das Carboxylat-Ion, da seine negative Ladung über mehrere Atome delokalisiert wird.

Dieser Text wurde übernommen von Openstax, Chemie 2e, Abschnitt 14.3: Relative Stärken von Säuren und Basen und Openstax, Chemie 2e, Abschnitt 20.3 Aldehyde, Ketone, Carbonsäuren und Ester.

Transcript

Salzsäure ist eine starke Säure, während Flusssäure eine schwache Säure ist. Aber was bestimmt ihre Stärke?

Die Stärke von binären Säuren mit nur zwei Elementen wird durch die Bindungsenergie und die Bindungspolarität bestimmt.

Eine Säure mit einer höheren Bindungsenergie hat eine stärkere Bindung und ist daher eine schwächere Säure. Vergleicht man Säuren in einer Gruppe, so ist die Bindung in einer schwachen Säure, wie Flusssäure, schwerer zu brechen, so dass es weniger wahrscheinlich ist, dass die Säure Protonen abgibt.

Im Gegensatz dazu hat eine Säure mit niedrigerer Bindungsenergie eine schwächere Bindung und ist daher eine stärkere Säure. Zum Beispiel bricht die Bindung in einer starken Säure wie Salzsäure leichter und gibt Protonen leichter ab als Flusssäure.

Eine Bindung, wie die in Salzsäure, ist polar, wenn ein Atom elektronegativer ist als das andere Atom.

Eine Verbindung kann als Säure wirken, wenn das an Wasserstoff gebundene Atom eine höhere Elektronegativität als Wasserstoff aufweist. Das Atom hat eine teilweise negative Ladung, so dass der Wasserstoff eine teilweise positive Ladung hat, so dass er als Proton freigesetzt werden kann.

Eine Säure mit höherer Bindungspolarität hat eine schwächere Bindung und ist daher eine stärkere Säure.

Vergleicht man Verbindungen über einen Zeitraum, so ist Salzsäure stärker als Schwefelwasserstoff, da Chlor elektronegativer ist als Schwefel und daher leichter Protonen freisetzt.

Wenn Wasserstoff die gleiche oder eine größere Elektronegativität als das andere Atom hat, kann dieses Molekül keine Protonen abgeben und daher nicht als Säure wirken.

Oxysäuren sind Säuren, bei denen ein OH an ein drittes Atom gebunden ist, das elektronegativer ist als Wasserstoff. Die Stärke einer Oxysäure hängt von der Elektronegativität und der Anzahl der Sauerstoffe ab, die an das dritte Atom gebunden sind.

Je höher die Elektronegativität des Atoms ist, desto mehr polarisiert es und schwächt die Bindung zwischen Sauerstoff und Wasserstoff.

Wird das Zentralatom an weitere Sauerstoffatome gebunden, erhöht sich die Polarität der Bindung zwischen dem Sauerstoff und dem Wasserstoff weiter.

Zum Beispiel ist Perchlorsäure mit drei zusätzlichen Sauerstoffatomen stärker als Chlorsäure mit zwei zusätzlichen Sauerstoffatomen. Chlorsäure wiederum ist stärker als Chlorsäure, die nur einen zusätzlichen Sauerstoff und eine hypochlorige Säure ohne zusätzliche Sauerstoffatome enthält.

Carbonsäuren sind schwache Säuren, die eine Carboxylgruppe enthalten. Das zweite Sauerstoffatom macht die Sauerstoff-Wasserstoff-Bindung polarer und ermöglicht es dem Molekül, ein Proton abzugeben. Essigsäure und Ameisensäure sind Beispiele für Carbonsäuren.