15.13
Fuerza y Estructura Molecular de los Ácidos
Ácidos y bases binarios
En ausencia de cualquier efecto de nivelación, la fuerza ácida de los compuestos binarios de hidrógeno con no metales (A) aume…
El ácido clorhídrico es un ácido fuerte, mientras que el ácido fluorhídrico es un ácido débil. Pero, qué determina su fuerza? La fuerza de los ácidos binarios, con solo dos elementos, está determinada por la energía y la polaridad del enlace.
Un ácido con una energía de enlace más alta tiene un enlace más fuerte y, por lo tanto, será un ácido más débil. Al comparar los ácidos de un grupo, el enlace de un ácido débil, como el ácido fluorhídrico, éste es más difícil de romper por lo que es menos probable que el ácido done protones. Por el contrario, un ácido con menos energía en su enlace tiene un enlace más débil y, por lo tanto, será un ácido más fuerte.
Por ejemplo, el enlace en un ácido fuerte, como el ácido clorhídrico, se rompe más fácilmente y dona protones más fácilmente que el ácido fluorhídrico. Un enlace, como el del ácido clorhídrico, es polar cuando un átomo es más electronegativo que el otro. Un compuesto puede actuar como ácido cuando el átomo unido al hidrógeno tiene una mayor electronegatividad que el hidrógeno.
El átomo tendrá una carga negativa parcial, lo que permitirá que el hidrógeno tenga una carga positiva parcial para que pueda liberarse como un protón. Un ácido con una polaridad de enlace más alta tiene un enlace más débil y, por lo tanto, será un ácido más fuerte. Al comparar compuestos a lo largo de un período, el ácido clorhídrico es más fuerte que el sulfuro de hidrógeno, ya que el cloro es más electronegativo que el azufre y, por lo tanto, libera protones con mayor facilidad.
Si el hidrógeno tiene una electronegatividad igual o mayor que el otro átomo, esa molécula no puede donar protones y, por tanto, no puede actuar como ácido. Los oxiácidos son ácidos donde un OH está unido a un tercer átomo que es más electronegativo que el hidrógeno. La fuerza de un oxiácido depende de la electronegatividad y del número de oxígenos unidos al tercer átomo.
Cuanto mayor es la electronegatividad del átomo, más se polariza, debilitando el enlace entre el oxígeno y el hidrógeno. Si el átomo central está unido a átomos de oxígeno adicionales aumenta aún más la polaridad del enlace entre el oxígeno y el hidrógeno. Por ejemplo, el ácido perclórico con tres átomos de oxígeno adicionales es más fuerte que el ácido clórico con dos átomos de oxígeno adicionales.
El ácido clórico, a su vez, es más fuerte que el ácido cloroso, que tiene solo un oxígeno adicional y que el ácido hipocloroso, sin átomos de oxígeno adicionales. Los ácidos carboxílicos son ácidos débiles que contienen un grupo carboxilo. El segundo átomo de oxígeno hace que el enlace oxígeno-hidrógeno sea más polar y, por lo tanto, permite que la molécula done un protón.
El ácido acético y el ácido fórmico son ejemplos de ácidos carboxílicos.
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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.