15.13
산의 강도와 분자 구조
이성분 산 및 염기
레벨링 효과가 없는 경우, 주기율표의 한 그룹에서 H-A 결합 강도가 감소함에 따라 비금속과 수소의 이원 화합물(A)의 산 강도가 증가합니다. 그룹 17의 경우 산도가 증가하는 순서는 HF < HCl < HBr < HI입니다. 마찬가지로 그룹 16의 경우 산 강도가 증가하는 순서는 H_2O < H_2S < H_2Se < H_2Te입니다. 주기율표의 한 행에서 H-A 결합의 극성이 증가하기 때문에 비금속 원자의 전기 음성도가 증가함에 따라 이원 수소 화합물의 산 강도가 증가합니다. 따라서 두 번째 줄에서 산성도가 증가하는 순서(양성자 하나 제거)는 CH_4 < NH_3 < H_2O < HF입니다. 세 번째 행에서는 SiH_4 < PH_3 < H_2S < HCl입니다.
삼원산 및 염기
수소, 산소 및 일부 세 번째 원소("E")…
염산은 강산이지만 플루오린화 수소산은 약산입니다. 하지만 무엇이 그것의 세기를 결정할까요? 두개의 원소만 있는 이원산의 강도는 결합 에너지와 결합 극성에 의해 결정됩니다.
결합 에너지가 더 높은 산은 더 강한 결합을 가지며 따라서 더 약한 산이 될 것입니다. 그룹의 산을 비교해보면 플루오르화 수소산과 같은 약산의 결합은 깨지기 더 힘들기 때문에 산은 양성자를 기증할 가능성이 적습니다. 반대로 결합 에너지가 낮은 산은 약한 결합을 가지므로 더 강한 산이 될 것입니다.
예를 들어 염산과 같은 강산의 결합은 플루오르화 수소산보다 더 쉽게 끊어지고 양성자를 더 쉽게 기증합니다. 염산에서와 같은 결합은 한 원자가 다른 원자보다 더 전기 음성일 때 극성을 띱니다. 화합물은 수소에 부착된 원자가 수소보다 더 높은 전기 음성을 가질 때 산으로 작용할 수 있습니다.
원자는 부분적으로 음전하를 띠게 되고 수소가 부분적으로 양의 전하를 갖게 되어 양성자로 방출될 수 있게 됩니다. 결합 극성이 높은 산은 결합이 약하므로 더 강한 산이 될 것입니다. 주기표에서 화합물을 비교해보면 염소가 황보다 더 전기 음성이고 이에 따라 양성자를 더 쉽게 방출하기때문에 염산은 황화 수소보다 더 강합니다.
수소가 다른 원자보다 같거나 더 큰 전기 음성을 가지고 있다면 그 분자는 양자를 기증할 수 없기 때문에 산으로 작용할 수 없습니다. 산소산은 수소보다 더 전기 음성인 세 번째 원자에 OH가 붙어 있는 산입니다. 산소산의 강도는 전기 음성도와 세 번째 원자에 부착된 산소 수에 따라 달라집니다.
원자의 전기음성도가 높을수록 더 극성화되어 산소와 수소 사이의 결합을 약화시킵니다. 중심 원자가 추가 산소 원자에 부착되는 경우 산소와 수소 사이의 결합의 극성이 더욱 증가됩니다. 예를 들어 세 개의 산소 원자를 더 가지고 있는 과염소산은 두 개의 산소 원자를 더 가지고 있는 염소산보다 더 강합니다.
결국 염소산은 한 개의 산소 원자만 추가로 가지고 있는 아염소산과 추가적인 산소 원자가 없는 차아염소산보다 더 강합니다. 카르복시산은 카르복시 기를 포함하는 약산입니다. 두 번째 산소 원자는 산소-수소 결합을 더 극성으로 만들고 따라서 분자가 양성자를 기증할 수 있도록 합니다.
아세트산과 포름산은 카르복실산의 예입니다.
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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.