15.13
Força e Estrutura Molecular de Ácidos
Ácidos e Bases Binários
Na ausência de qualquer efeito de nivelamento, a força ácida dos compostos binários de hidrogénio com não metais (A) aumenta à…
O ácido clorídrico é um ácido forte, enquanto que o ácido hidrofluorídrico é um ácido fraco. Mas o que determina a sua força, a força dos ácidos binários, com apenas dois elementos, é determinada pelo vínculo de polaridade e energia. Um ácido com uma ligação energética mais elevada tem uma ligação mais forte e, por conseguinte é um ácido mais fraco.
Comparando os ácidos de um grupo, a ligação num ácido fraco, como o ácido fluorídrico, é mais difícil de quebrar, por isso o ácido é menos provável de doar prótons. Em contraste, um ácido com menor ligação energética tem uma ligação mais fraca e, por conseguinte é um ácido mais forte. Por exemplo, a ligação num ácido forte, como o ácido clorídrico, quebra mais facilmente e doa mais prótons do que o ácido fluorídrico.
Uma ligação, como aquela no ácido clorídrico, é polar quando um átomo é mais eletronegativo do que o outro átomo. Um composto pode agir como um ácido quando o átomo ligado ao hidrogénio tem uma maior eletronegatividade do que o hidrogénio. O átomo irá possuir uma carga parcialmente negativa, permitindo que o hidrogénio tenha uma carga parcialmente positiva para que possa ser libertado como um próton.
Um ácido com maior ligação de polaridade tem uma ligação mais fraca e, por conseguinte é um ácido mais forte. Comparando os compostos ao longo de um período, o ácido clorídrico é mais forte do que o sulfureto de hidrogénio uma vez que o cloro é mais eletronegativo do que o enxofre e, portanto, liberta prótons mais facilmente. Se o hidrogénio tiver uma maior eletronegatividade do que o outro átomo, a molécula não pode doar prótons e, portanto, pode não agir como um ácido.
Os oxiácidos são ácidos onde um OH é anexado a um terceiro átomo que é mais eletronegativo do que o hidrogénio. A força de um oxiácido depende sobre a eletronegatividade e o número de oxigénios anexado ao terceiro átomo. Quanto mais alto a eletronegatividade do átomo, quanto mais polariza, mais enfraquece a ligação entre o oxigénio e o hidrogénio.
Se o átomo central estiver ligado a átomos de oxigénio adicionais, aumenta ainda mais a polaridade da ligação entre o oxigénio e o hidrogénio. Por exemplo, o ácido perclórico com três átomos de oxigénio adicional é mais forte que o ácido clorídrico com dois átomos de oxigénio adicionais. O ácido clorídrico, que é mais forte do que o ácido cloroso, tem apenas um oxigénio adicional e o ácido hipocloroso, não tem nenhum átomo de oxigénio adicional.
Os ácidos carboxílicos são ácidos fracos que contêm um grupo carboxil. O segundo átomo de oxigénio faz a ligação oxigénio-hidrogénio mais polar, e por conseguinte permite a molécula para doar um próton. O ácido acético e o ácido fórmico são exemplos de ácidos carboxílicos.
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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.