Back to chapter

15.13:

Zuursterkte en Moleculaire Structuur

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

Zoutzuur is een sterk zuur, terwijl fluorwaterstofzuur een zwak zuur is. Maar wat bepaalt hun sterkte? De sterkte van binaire zuren, met slechts twee elementen, wordt bepaald door bindingsenergie en bindingspolariteit.Een zuur met een hogere bindingsenergie heeft een sterkere binding en zal daarom een zwakker zuur zijn. Als je zuren in een groep vergelijkt, is de binding in een zwak zuur, zoals fluorwaterstofzuur, moeilijker te verbreken, dus het is minder waarschijnlijk dat het zuur protonen afstaat. Daarentegen heeft een zuur met lagere bindingsenergie een zwakkere binding en zal daarom een sterker zuur zijn.De binding in een sterk zuur, zoals zoutzuur, breekt bijvoorbeeld gemakkelijker en staat sneller protonen af dan fluorwaterstofzuur. Een binding, zoals die in zoutzuur, is polair als het ene atoom elektronegatiever is dan het andere. Een verbinding kan als een zuur werken wanneer het atoom dat aan waterstof is gebonden een hogere elektronegativiteit heeft dan waterstof.Het atoom zal een gedeeltelijke negatieve lading hebben, waardoor de waterstof een gedeeltelijke positieve lading kan hebben, zodat het kan worden vrijgegeven als een proton. Een zuur met een hogere bindingspolariteit heeft een zwakkere binding en zal daarom een sterker zuur zijn. Als men verbindingen over een bepaalde periode vergelijkt, is zoutzuur sterker dan waterstofsulfide, omdat chloor elektronegatiever is dan zwavel en daarom gemakkelijker protonen afgeeft.Als waterstof een gelijke of grotere elektronegativiteit heeft dan het andere atoom, kan dat molecuul geen protonen afstaan en kan het daarom niet als zuur werken. Oxyzuren zijn zuren waarbij een OH is gehecht aan een derde atoom dat elektronegatiever is dan waterstof. De sterkte van een oxyzuur hangt af van de elektronegativiteit en het aantal zuurstofatomen dat aan het derde atoom is gebonden.Hoe hoger de elektronegativiteit van het atoom, hoe meer het polariseert, waardoor de binding tussen zuurstof en waterstof verzwakt. Als het centrale atoom is bevestigd aan extra zuurstofatomen, verhoogt dit de polariteit van de binding tussen zuurstof en waterstof verder. Perchloorzuur met drie extra zuurstofatomen is bijvoorbeeld sterker dan chloorzuur met twee extra zuurstofatomen.Chloorzuur is op zijn beurt sterker dan chlorigzuur, dat slechts één extra zuurstof en hypochloorzuur heeft, zonder extra zuurstofatomen. Carbonzuren zijn zwakke zuren die een carboxylgroep bevatten. Het tweede zuurstofatoom maakt de zuurstof-waterstofbinding meer polair, waardoor het molecuul een proton kan afstaan.Azijnzuur en mierenzuur zijn voorbeelden van carbonzuren.

15.13:

Zuursterkte en Moleculaire Structuur

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.