15.13
酸性強度と分子構造
二元系の酸と塩基
平衡効果がない場合、水素と非金属（A）からなる二元化合物の酸強度は、H-A結合の強さが周期表の1つ下のグループになるほど大きくなります。17族の場合、酸性度の高い順に、HF < HCl < HBr < HI となります。同様に、16族については、酸の強さが大きくなる順に、H2O < H2S < H2Se < H2Teとなります。周期表のある周期で見ると、二元系水素化合物の酸強度は、非金属原子の電気…
塩酸は強酸ですが、フッ化水素酸は弱酸です。しかし、何が彼らの強さを決定するのでしょうか?
2つの元素のみを含む二元酸の強度は、結合エネルギーと結合極性によって決まります。
結合エネルギーが高い酸は結合が強いため、酸が弱くなります。グループ内の酸を比較すると、フッ化水素酸のような弱酸の結合は壊れにくいため、酸がプロトンを提供する可能性が低くなります。
対照的に、結合エネルギーが低い酸は結合が弱いため、より強い酸になります。たとえば、塩酸のような強酸の結合は、フッ化水素酸よりも簡単に切断され、プロトンを提供しやすくなります。
塩酸のような結合は、一方の原子がもう一方の原子よりも電気陰性度が高い場合、極性になります。
水素に結合した原子が水素よりも高い電気陰性度を持つ場合、化合物は酸として作用することができます。原子は部分的な負電荷を持つため、水素は部分的な正電荷を持つことができるため、陽子として放出できます。
結合極性が高い酸は結合が弱いため、より強い酸になります。
期間をまたいで化合物を比較すると、塩素は硫黄よりも電気陰性度が高く、したがって陽子を放出しやすいため、塩酸は硫化水素よりも強力です。
水素が他の原子と同等またはそれ以上の電気陰性度を持っている場合、その分子はプロトンを供与できないため、酸として作用することはできません。
オキシ酸は、水素よりも電気陰性度の高い第3の原子にOHが結合している酸です。オキシ酸の強度は、電気陰性度と3番目の原子に結合している酸素の数に依存します。
原子の電気陰性度が高いほど、原子は分極し、酸素と水素の間の結合を弱めます。
中心原子が追加の酸素原子に結合している場合、酸素と水素との間の結合の極性がさらに増加します。
たとえば、酸素原子が3つ追加された過塩素酸は、酸素原子が2つ追加された塩素酸よりも強力です。一方、塩素酸は、酸素が1つしかなく、次亜塩素酸が1つしかなく、酸素原子が追加されていない亜塩素酸よりも強力です。
カルボン酸は、カルボキシル基を含む弱酸です。2番目の酸素原子は、酸素-水素結合をより極性にし、それによって分子がプロトンを供与することを可能にします。酢酸とギ酸はカルボン酸の例です。
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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.