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15.13:

Force des acides et structure moléculaire

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Acid Strength and Molecular Structure

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L’acide chlorhydrique est un acide fort, tandis que l’acide fluorhydrique est un acide faible. Mais qu’est-ce qui détermine leur force? La force des acides binaires, avec seulement deux éléments, est déterminée par l’énergie et la polarité de la liaison.Un acide à une énergie de liaison plus élevée a une liaison plus forte et, par conséquent, sera un acide plus faible. Comparant les acides dans un groupe, la liaison dans un acide faible, comme l’acide fluorhydrique, est plus difficile à briser, alors, l’acide est moins susceptible de donner des protons. En revanche, un acide à une énergie de liaison inférieure a une liaison plus faible et, par conséquent, sera un acide plus fort.Par exemple, la liaison dans un acide fort, comme l’acide chlorhydrique, se brise plus facilement et donne des protons plus facilement que l’acide fluorhydrique. Un lien, comme celui de l’acide chlorhydrique, est polaire lorsqu’un atome est plus électronégatif que l’autre atome. Un composé peut agir comme un acide lorsque l’atome attaché à l’hydrogène a une électronégativité plus élevée que l’hydrogène.L’atome aura une charge partiellement négative, permettant à l’hydrogène d’avoir une charge positive partielle de sorte qu’il peut être libéré sous forme de proton. Un acide avec une polarité de liaison plus élevée a une liaison plus faible et, par conséquent, sera un acide plus fort. Comparer des composés sur une période, l’acide chlorhydrique est plus fort que le sulfure d’hydrogène car le chlore est plus électronégatif que le soufre et, par conséquent, libère des protons plus facilement.Si l’hydrogène a une électronégativité égale ou supérieure que l’autre atome, cette molécule ne peut pas donner de protons et, par conséquent, ne peut pas agir comme un acide. Les oxyacides sont des acides auxquels un OH est attaché à un troisième atome plus électronégatif que l’hydrogène. La force d’un oxyacide dépend sur l’électronégativité et le nombre d’oxygène attaché au troisième atome.Plus l’électronégativité de l’atome est élevée, plus il se polarise, affaiblissant le lien entre l’oxygène et l’hydrogène. Si l’atome central est lié à des atomes d’oxygène supplémentaires, il augmente encore la polarité de la liaison entre l’oxygène et l’hydrogène. Par exemple, l’acide perchlorique avec trois atomes d’oxygène supplémentaire est plus fort que l’acide chlorique avec deux atomes d’oxygène supplémentaire.L’acide chlorique, à son tour, est plus fort que l’acide chloreux, qui n’a qu’un seul oxygène supplémentaire et acide hypochloreux, sans atomes d’oxygène supplémentaires. Les acides carboxyliques sont des acides faibles qui contiennent un groupe carboxyle. Le deuxième atome d’oxygène rend la liaison oxygène-hydrogène plus polaire, et permet ainsi à la molécule de donner un proton.L’acide acétique et l’acide formique sont des exemples d’acides carboxyliques.

15.13:

Force des acides et structure moléculaire

Acides et bases binaires

En l’absence de tout effet de nivellement, la force des acides pour les composés binaires de l’hydrogène avec des non-métaux (A) augmente à mesure que la force de la liaison H-A diminue en descendant dans un groupe du tableau périodique. Pour le groupe 17, l’ordre de l’acidité croissante est HF < HCl < HBr < HI. De même, pour le groupe 16, l’ordre de la force croissante des acides est H2O < H2S < H2Se < H2Te. Le long d’une rangée du tableau périodique, la force acide des composés d’hydrogène binaires augmente avec l’augmentation de l’électronégativité de l’atome non métallique parce que la polarité de la liaison H-A augmente. Ainsi, l’ordre de l’acidité croissante (pour l’élimination d’un proton) à travers la deuxième rangée est CH4 < NH3 < H2O < HF ; à travers la troisième rangée, c’est SiH4 < PH3 < H2S < HCl.

Acides et bases ternaires

Les composés ternaires constitués d’hydrogène, d’oxygène et d’un troisième élément (“ E ”) peuvent être structurés comme illustré dans l’image ci-dessous. Dans ces composés, l’atome E central est lié à un ou plusieurs atomes O, et au moins un des atomes O est également lié à un atome H, ce qui correspond à la formule moléculaire générale OmE(OH)n. Ces composés peuvent être acides, basiques ou amphotères selon les propriétés de l’atome E central. Des exemples de tels composés incluent l’acide sulfurique, O2S(OH)2, l’acide sulfureux, OS(OH)2, l’acide nitrique, O2NOH, l’acide perchlorique, O3ClOH, l’hydroxyde d’aluminium, Al(OH)3, l’hydroxyde de calcium, Ca(OH)2, et l’hydroxyde de potassium, KOH.

Eq1

Si l’atome central, E, possède une faible électronégativité, son attraction envers les électrons est faible. L’atome central a peu tendance à former une forte liaison covalente avec l’atome d’oxygène, et la liaison a entre l’élément et l’oxygène est plus facilement rompue que la liaison b entre l’oxygène et l’hydrogène. Par conséquent, la liaison a est ionique, les ions d’hydroxyde sont libérés dans la solution et le matériau se comporte comme une base, c’est le cas avec Ca(OH)2 et KOH. Une électronégativité plus faible est caractéristique des éléments plus métalliques ; par conséquent, les éléments métalliques forment des hydroxydes ioniques qui sont, par définition, des composés basiques.

Si, par contre, l’atome E a une électronégativité relativement élevée, il attire fortement les électrons qu’il partage avec l’atome d’oxygène, formant une liaison covalente relativement forte. La liaison oxygène-hydrogène, la liaison b, est ainsi affaiblie parce que les électrons sont déplacés vers E. La liaison b est polarisée et libère facilement des ions hydrogène dans la solution, de sorte que le matériau se comporte comme un acide. Les électronégativités élevées sont caractéristiques des éléments non métalliques. Ainsi, les éléments non métalliques forment des composés covalents contenant des groupes −OH acides appelés oxyacides.

L’augmentation du nombre d’oxydation de l’atome central E augmente également l’acidité d’un oxyacide car cela augmente l’attraction de E envers les électrons qu’il partage avec l’oxygène et affaiblit ainsi la liaison O-H. L’acide sulfurique, H2SO4 ou O2S(OH)2 (avec un nombre d’oxydation du soufre de +6), est plus acide que l’acide sulfureux, H2SO3 ou OS(OH)2 (avec un nombre d’oxydation du soufre de +4). De même, l’acide nitrique, HNO3 ou O2NOH (nombre d’oxydation de N = +5), est plus acide que l’acide nitreux, HNO2 ou ONOH (nombre d’oxydation de N = +3). Dans chacune de ces paires, le nombre d’oxydation de l’atome central est plus grand pour l’acide plus fort.

Acides carboxyliques

Les acides carboxyliques contiennent un groupe carboxyle. Les acides carboxyliques sont des acides faibles, ce qui signifie qu’ils ne sont pas ionisés à 100 % dans l’eau.

L’acide carboxylique agit comme un acide faible parce que, comme dans le cas des oxyacides, le deuxième oxygène fixé à l’atome de carbone augmente la polarité de la liaison O-H et la rend plus faible. De plus, après la perte du proton, le groupe carboxyle est converti en ion carboxylate, qui présente une résonance. Les différentes structures de résonance stabilisent l’ion carboxylate car sa charge négative est délocalisée sur plusieurs atomes.

Ce texte est adapté de Openstax, Chimie 2e, Section 14.3 : Forces relatives des acides et bases et Openstax, Chimie 2e, Section 20.3 Aldéhydes, cétones, acides carboxyliques, et esters.