Back to chapter

15.13:

חוזק חומצה ומבנה מולקולרי

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Acid Strength and Molecular Structure

Languages

Share

חומצה הידורכלורית היא חומצה חזקה, בעוד חומצה הידרופלורית היא חומצה חלשה. אבל מה קובע את כוחן? הכוח של חומצות בינאריות, בעלות שני יסודות, נקבע באמצעות אנרגיית הקשר וקוטביות הקשר.חומצה בעלת אנרגיית קשר גבוהה היא בעלת קשר חזק ובהתאם לכך תהיה חומצה חלשה יותר. בהשוואה בין חומצות בקבוצה, הקשר בחומצה חלשה כמו חומצה הידרופלואורית קשה יותר לשבירה, לכן סביר פחות שהחומצה תתרום פרוטונים. בניגוד לכך, חומצה בעלת אנרגיית קשר נמוכה יותר היא בעלת קשר חלש יותר ובהתאם לכך, תהיה חומצה חזקה יותר.לדוגמה, הקשר בחומצה חזקה כמו חומצה הידרוכלורית נשבר בקלות רבה יותר והיא תורמת פרוטונים ביתר קלות לעומת חומצה הידרופלואורית. קשר כמו זה הקיים בחומצה הידרוכלורית הוא קוטבי כאשר אטום אחד הוא יותר אלקטרושלילי מהאטום השני. תרכובת יכולה להתנהג כחומצה כשהאטום המחובר למימן הוא בעל אלקטרושליליות גבוהה יותר ממימן.האטום יהיה בעל מטען שלילי חלקי ויאפשר למימן להיות בעל מטען חיובי חלקי ולהיות משוחרר כפרוטון. חומצה בעלת קוטביות קשר גבוהה יותר היא בעלת קשר חלש יותר ועל כן, תהיה חומצה חזקה יותר. בהשוואה בין תרכובות במחזור של הטבלה המחזורית, חומצה הידרוכלורית חזקה יותר ממימן גופרתי משום שהכלור הוא יותר אלקטרו-שלילי מגופרית ועל כן משחרר פרוטונים ביתר קלות.אם המימן הוא בעל אלקטרושליליות שווה או גדולה יותר מהאטום האחר, המולקולה לא תוכל לתרום פרוטונים ועל כן לא תוכל לתפקד כחומצה. חומצות חמצניות הן חומצות בהן OH מחובר לאטום שלישי יותר אלקטרושלילי ממימן. הכוח של חומצה חמצנית תלוי באלקטרושליליות ובמספר החמצנים המחוברים לאטום השלישי.ככל שהאלקטרושליליות של האטום גבוהה יותר כך הוא מקטב יותר, ומחליש את הקשר בין החמצן למימן. אם האטום המרכזי מחובר לאטומי חמצן נוספים, מוגברת בו אף יותר הקוטביות של הקשר בין החמצן למימן. לדוגמה, חומצה פרכלורית עם שלושה אטומי חמצן נוספים היא חזקה יותר מחומצה כלורית עם שני אטומי חמצן נוספים.חומצה כלורית חזקה יותר מחומצת כלורוס, שלה רק אטום חמצן נוסף אחד ומחומצה היפוכלורית, שלה אין אטומי חמצן נוספים. חומצות קרבוקסיליות הן חומצות חלשות המכילות קבוצה קרבוקסילית. אטום החמצן השני יוצר בקשר חמצן-מימן קוטביות גבוהה יותר ובכך מאפשר למולקולות לתרום פרוטון.חומצה אצטית וחומצה פורמית הן דוגמאות לחומצות קרבוקסיליות.

15.13:

חוזק חומצה ומבנה מולקולרי

Binary Acids and Bases

In the absence of any leveling effect, the acid strength of binary compounds of hydrogen with nonmetals (A) increases as the H-A bond strength decreases down a group in the periodic table. For group 17, the order of increasing acidity is HF < HCl < HBr < HI. Likewise, for group 16, the order of increasing acid strength is H2O < H2S < H2Se < H2Te. Across a row in the periodic table, the acid strength of binary hydrogen compounds increases with increasing electronegativity of the nonmetal atom because the polarity of the H-A bond increases. Thus, the order of increasing acidity (for removal of one proton) across the second row is CH4 < NH3 < H2O < HF; across the third row, it is SiH4 < PH3 < H2S < HCl.

Ternary Acids and Bases

Ternary compounds composed of hydrogen, oxygen, and some third element (“E”) may be structured as depicted in the image below. In these compounds, the central E atom is bonded to one or more O atoms, and at least one of the O atoms is also bonded to an H atom, corresponding to the general molecular formula OmE(OH)n. These compounds may be acidic, basic, or amphoteric depending on the properties of the central E atom. Examples of such compounds include sulfuric acid, O2S(OH)2, sulfurous acid, OS(OH)2, nitric acid, O2NOH, perchloric acid, O3ClOH, aluminum hydroxide, Al(OH)3, calcium hydroxide, Ca(OH)2, and potassium hydroxide, KOH.

Eq1

If the central atom, E, has a low electronegativity, its attraction for electrons is low. Little tendency exists for the central atom to form a strong covalent bond with the oxygen atom, and bond a between the element and oxygen is more readily broken than bond b between oxygen and hydrogen. Hence bond a is ionic, hydroxide ions are released to the solution, and the material behaves as a base—this is the case with Ca(OH)2 and KOH. Lower electronegativity is characteristic of the more metallic elements; hence, the metallic elements form ionic hydroxides that are, by definition, basic compounds.

If, on the other hand, the atom E has a relatively high electronegativity, it strongly attracts the electrons it shares with the oxygen atom, making a relatively strong covalent bond. The oxygen-hydrogen bond, bond b, is thereby weakened because electrons are displaced toward E. Bond b is polar and readily releases hydrogen ions to the solution, so the material behaves as an acid. High electronegativities are characteristic of the more nonmetallic elements. Thus, nonmetallic elements form covalent compounds containing acidic −OH groups that are called oxyacids.

Increasing the oxidation number of the central atom E also increases the acidity of an oxyacid because this increases the attraction of E for the electrons it shares with oxygen and thereby weakens the O-H bond. Sulfuric acid, H2SO4, or O2S(OH)2 (with a sulfur oxidation number of +6), is more acidic than sulfurous acid, H2SO3, or OS(OH)2 (with a sulfur oxidation number of +4). Likewise, nitric acid, HNO3, or O2NOH (N oxidation number = +5), is more acidic than nitrous acid, HNO2, or ONOH (N oxidation number = +3). In each of these pairs, the oxidation number of the central atom is larger for the stronger acid.

Carboxylic Acids

Carboxylic acids contain a carboxyl group. Carboxylic acids are weak acids meaning they are not 100% ionized in water.

Carboxylic acid acts as a weak acid because, as in the case of oxyacids, the second oxygen attached to the carbon atom increases the polarity of the O-H bond and makes it weaker. Further, after the loss of the proton, the carboxyl group is converted to the carboxylate ion, which exhibits resonance. The different resonance structures stabilize the carboxylate ion as its negative charge is delocalized over several atoms.

This text is adapted from 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.