15.13
Siła kwasu i struktura molekularna
Binarne kwasy i zasady
W przypadku braku jakiegokolwiek efektu wyrównywania, siła kwasowa binarnych związków wodoru z niemetalami (A) wzrasta wraz ze…
Kwas solny jest mocnym kwasem, podczas gdy kwas fluorowodorowy jest słabym kwasem. Ale co decyduje o ich sile?
Siła kwasów dwuskładnikowych, składających się tylko z dwóch pierwiastków, zależy od energii wiązania i polaryzacji wiązania.
Kwas o wyższej energii wiązania ma silniejsze wiązanie, a zatem będzie słabszym kwasem. Porównując kwasy w grupie, wiązanie w słabym kwasie, takim jak kwas fluorowodorowy, jest trudniejsze do zerwania, więc kwas jest mniej skłonny do oddawania protonów.
Natomiast kwas o niższej energii wiązania ma słabsze wiązanie, a zatem będzie silniejszym kwasem. Na przykład wiązanie w mocnym kwasie, takim jak kwas solny, łatwiej się zrywa i łatwiej oddaje protony niż kwas fluorowodorowy.
Wiązanie, takie jak w kwasie solnym, jest polarne, gdy jeden atom jest bardziej elektroujemny niż drugi atom.
Związek może działać jak kwas, gdy atom przyłączony do wodoru ma wyższą elektroujemność niż wodór. Atom będzie miał częściowy ładunek ujemny, dzięki czemu wodór będzie miał częściowy ładunek dodatni, dzięki czemu może zostać uwolniony jako proton.
Kwas o wyższej polarności wiązania ma słabsze wiązanie, a zatem będzie silniejszym kwasem.
Porównując związki w okresie, kwas solny jest silniejszy niż siarkowodór, ponieważ chlor jest bardziej elektroujemny niż siarka, a zatem łatwiej uwalnia protony.
Jeśli wodór ma równą lub większą elektroujemność niż drugi atom, cząsteczka ta nie może oddawać protonów, a zatem nie może działać jako kwas.
Kwasy tlenowe to kwasy, w których OH jest przyłączony do trzeciego atomu, który jest bardziej elektroujemny niż wodór. Siła kwasu tlenowego zależy od elektroujemności i liczby tlenu przyłączonego do trzeciego atomu.
Im wyższa elektroujemność atomu, tym bardziej polaryzuje się, osłabiając wiązanie między tlenem a wodorem.
Jeśli centralny atom jest przyłączony do dodatkowych atomów tlenu, dodatkowo zwiększa to polaryzację wiązania między tlenem a wodorem.
Na przykład kwas nadchlorowy z trzema dodatkowymi atomami tlenu jest silniejszy niż kwas chlorowy z dwoma dodatkowymi atomami tlenu. Kwas chlorowy z kolei jest silniejszy od kwasu chlorawego, który ma tylko jeden dodatkowy tlen i kwas podchlorawy, bez dodatkowych atomów tlenu.
Kwasy karboksylowe to słabe kwasy, które zawierają grupę karboksylową. Drugi atom tlenu sprawia, że wiązanie tlen-wodór jest bardziej polarne, a tym samym pozwala cząsteczce oddać proton. Kwas octowy i kwas mrówkowy są przykładami kwasów karboksylowych.
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.