15.13: Säurestärke und Molekülstruktur

Binäre Säuren und Basen

Ohne eine nivellierende Wirkung nimmt die Säurestärke binärer Verbindungen von Wasserstoff mit Nichtmetallen (A) zu, wenn die Stärke der H-A-Bindung in einer 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. In einer Zeile des Periodensystems nimmt die Säurestärke binärer Wasserstoffverbindungen mit zunehmender Elektronegativität des Nichtmetallatoms zu, da die Polarität der H-A-Bindung zunimmt. Somit ist die Reihenfolge der zunehmenden Säure (zur Entfernung eines Protons) in der zweiten Reihe CH₄ < NH₃ < H₂O < HF; In der dritten Reihe gilt: SiH₄ < PH₃ < H₂S < HCl.

Ternäre Säuren und Basen

Ternäre Verbindungen, die aus Wasserstoff, Sauerstoff und einem dritten Element („E“) bestehen, können wie im Bild 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 zusätzlich an ein H-Atom gebunden, entsprechend der allgemeinen Summenformel O_mE(OH)_n. Abhängig von den Eigenschaften des zentralen E-Atoms können diese Verbindungen sauer, basisch oder amphoter sein. 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 niedrige Elektronegativität aufweist, ist seine Anziehungskraft für Elektronen gering. Das Zentralatom neigt kaum dazu, eine starke kovalente Bindung mit dem Sauerstoffatom einzugehen, und die Bindung a zwischen dem Element und Sauerstoff wird leichter aufgebrochen 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. Charakteristisch für die eher metallischen Elemente ist eine geringere Elektronegativität; Daher bilden die metallischen Elemente ionische Hydroxide, die per Definition basische Verbindungen sind.

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

Eine Erhöhung der Oxidationszahl des Zentralatoms E erhöht auch den Säuregehalt einer Oxysäure, da dies die Anziehungskraft von E für die Elektronen, die es mit Sauerstoff teilt, erhöht und dadurch die O-H-Bindung schwächt. Schwefelsäure, H₂SO₄, oder O₂S(OH)₂ (mit einer Schwefeloxidationszahl von +6), ist saurer als 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, das heißt, sie sind in Wasser nicht zu 100 % ionisiert.

Carbonsäure wirkt als schwache Säure, da wie bei Oxysäuren der zweite, an das Kohlenstoffatom gebundene Sauerstoff die Polarität der O-H-Bindung erhöht und sie schwächer macht. Darüber hinaus wird die Carboxylgruppe nach dem Verlust des Protons in das Carboxylat-Ion umgewandelt, das Resonanz zeigt. Die unterschiedlichen Resonanzstrukturen stabilisieren das Carboxylat-Ion, da seine negative Ladung über mehrere Atome verteilt ist.

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.