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")로 구성된 삼원 화합물은 아래 이미지에 표시된 대로 구조화될 수 있습니다. 이 화합물에서 중심 E 원자는 하나 이상의 O 원자에 결합되고, O 원자 중 적어도 하나는 일반 분자식 O_mE(OH)_n에 해당하는 H 원자에도 결합됩니다. 이 화합물은 중심 E 원자의 특성에 따라 산성, 염기성 또는 양쪽성일 수 있습니다. 이러한 화합물의 예로는 황산, O_2S(OH)_2, 아황산, OS(OH)_2, 질산, O2_NOH, 과염소산, O_3ClOH, 수산화알루미늄, Al(OH)_3, 수산화칼슘, Ca(OH)_2가 있습니다. 및 수산화칼륨, KOH.

중심 원자 E의 전기 음성도가 낮으면 전자에 대한 인력도 낮습니다. 중심 원자가 산소 원자와 강한 공유 결합을 형성하는 경향은 거의 없으며, 원소와 산소 사이의 결합 a는 산소와 수소 사이의 결합 b보다 더 쉽게 끊어집니다. 따라서 결합 a는 이온성이고, 수산화물 이온은 용액으로 방출되며, 물질은 염기처럼 행동합니다. Ca(OH)_2와 KOH의 경우가 그렇습니다. 더 낮은 전기음성도는 더 금속성 원소의 특징입니다. 따라서 금속 원소는 정의에 따라 염기성 화합물인 이온성 수산화물을 형성합니다.

반면에 원자 E의 전기음성도가 비교적 높으면 산소 원자와 공유하는 전자를 강하게 끌어당겨 상대적으로 강한 공유 결합을 만듭니다. 산소-수소 결합인 결합 b는 전자가 E쪽으로 이동하기 때문에 약해집니다. 결합 b는 극성이고 쉽게 수소 이온을 용액으로 방출하므로 물질은 산처럼 행동합니다. 높은 전기 음성도는 비금속 원소의 특징입니다. 따라서 비금속 원소는 산소산이라고 불리는 산성 -OH 그룹을 포함하는 공유 결합 화합물을 형성합니다.

중심 원자 E의 산화수를 증가시키면 산소산의 산성도도 증가합니다. 이는 산소와 공유하는 전자에 대한 E의 인력을 증가시켜 O-H 결합을 약화시키기 때문입니다. 황산, H_2SO_4 또는 O_2S(OH)_2(황 산화수 +6)는 아황산, H_2SO_3 또는 OS(OH)_2(황 산화수 +4)보다 더 산성입니다. 마찬가지로 질산, HNO_3 또는 O_2NOH(N 산화수 = +5)는 아질산, HNO_2 또는 ONOH(N 산화수 = +3)보다 더 산성입니다. 이 쌍 각각에서 중심 원자의 산화수는 더 강한 산일수록 더 큽니다.

카르복실산

카르복실산은 카르복실기를 포함합니다. 카르복실산은 약산이므로 물에서 100% 이온화되지 않습니다.

카르복실산은 산소산의 경우처럼 탄소 원자에 부착된 두 번째 산소가 O-H 결합의 극성을 증가시켜 약산으로 만들기 때문에 약산으로 작용합니다. 또한, 양성자를 잃은 후 카르복실기는 카르복실레이트 이온으로 전환되어 공명을 나타냅니다. 음전하가 여러 원자에 걸쳐 비편재화됨에 따라 다양한 공명 구조가 카르복실산염 이온을 안정화합니다.

이 문서는 에서 발췌되었습니다 Openstax, Chemistry 2e, Section 14.3: Relative Strengths of Acids and Bases and Openstax, Chemistry 2e, Section 20.3 Aldehydes, Ketones, Carboxylic Acids, and Esters.

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.