15.13
חומצות ובסיסים בינאריים
בהיעדר לאפקט פילוס כלשהו, חוזק החומצה של תרכובות בינאריות של מימן עם לא מתכות (A) גדל ככל שחוזק הקשר H-A פוחת במורד הקבוצה בטב…
חומצה הידורכלורית היא חומצה חזקה, בעוד חומצה הידרופלורית היא חומצה חלשה. אבל מה קובע את כוחן? הכוח של חומצות בינאריות, בעלות שני יסודות, נקבע באמצעות אנרגיית הקשר וקוטביות הקשר.
חומצה בעלת אנרגיית קשר גבוהה היא בעלת קשר חזק ובהתאם לכך תהיה חומצה חלשה יותר. בהשוואה בין חומצות בקבוצה, הקשר בחומצה חלשה כמו חומצה הידרופלואורית קשה יותר לשבירה, לכן סביר פחות שהחומצה תתרום פרוטונים. בניגוד לכך, חומצה בעלת אנרגיית קשר נמוכה יותר היא בעלת קשר חלש יותר ובהתאם לכך, תהיה חומצה חזקה יותר.
לדוגמה, הקשר בחומצה חזקה כמו חומצה הידרוכלורית נשבר בקלות רבה יותר והיא תורמת פרוטונים ביתר קלות לעומת חומצה הידרופלואורית. קשר כמו זה הקיים בחומצה הידרוכלורית הוא קוטבי כאשר אטום אחד הוא יותר אלקטרושלילי מהאטום השני. תרכובת יכולה להתנהג כחומצה כשהאטום המחובר למימן הוא בעל אלקטרושליליות גבוהה יותר ממימן.
האטום יהיה בעל מטען שלילי חלקי ויאפשר למימן להיות בעל מטען חיובי חלקי ולהיות משוחרר כפרוטון. חומצה בעלת קוטביות קשר גבוהה יותר היא בעלת קשר חלש יותר ועל כן, תהיה חומצה חזקה יותר. בהשוואה בין תרכובות במחזור של הטבלה המחזורית, חומצה הידרוכלורית חזקה יותר ממימן גופרתי משום שהכלור הוא יותר אלקטרו-שלילי מגופרית ועל כן משחרר פרוטונים ביתר קלות.
אם המימן הוא בעל אלקטרושליליות שווה או גדולה יותר מהאטום האחר, המולקולה לא תוכל לתרום פרוטונים ועל כן לא תוכל לתפקד כחומצה. חומצות חמצניות הן חומצות בהן OH מחובר לאטום שלישי יותר אלקטרושלילי ממימן. הכוח של חומצה חמצנית תלוי באלקטרושליליות ובמספר החמצנים המחוברים לאטום השלישי.
ככל שהאלקטרושליליות של האטום גבוהה יותר כך הוא מקטב יותר, ומחליש את הקשר בין החמצן למימן. אם האטום המרכזי מחובר לאטומי חמצן נוספים, מוגברת בו אף יותר הקוטביות של הקשר בין החמצן למימן. לדוגמה, חומצה פרכלורית עם שלושה אטומי חמצן נוספים היא חזקה יותר מחומצה כלורית עם שני אטומי חמצן נוספים.
חומצה כלורית חזקה יותר מחומצת כלורוס, שלה רק אטום חמצן נוסף אחד ומחומצה היפוכלורית, שלה אין אטומי חמצן נוספים. חומצות קרבוקסיליות הן חומצות חלשות המכילות קבוצה קרבוקסילית. אטום החמצן השני יוצר בקשר חמצן-מימן קוטביות גבוהה יותר ובכך מאפשר למולקולות לתרום פרוטון.
חומצה אצטית וחומצה פורמית הן דוגמאות לחומצות קרבוקסיליות.
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.