Chemia bez granic

Dlaczego HF jest słabym kwasem, podczas gdy reszta kwasów wodorowych jest silna? Można słusznie założyć, że fluor jest bardzo elektroujemny, więc wiązanie H-F jest bardzo polarne i możemy oczekiwać, że HF łatwo dysocjuje w roztworze; to rozumowanie nie jest błędne, ale argument o elektroujemności jest podważony przez względy wielkości jonów. Przypomnijmy sobie okresową tendencję, że wielkość jonów wzrasta w miarę przesuwania się w dół układu okresowego. Ponieważ fluor znajduje się na szczycie halogenów, jon F- jest najmniejszym halogenkiem; dlatego jego elektrony są skoncentrowane wokół jądra, a w rezultacie wiązanie H-F jest stosunkowo krótkie. Krótsze wiązania są bardziej stabilne, a zatem wiązanie H-F jest trudniejsze do przerwania.

Odkąd przejdziemy do chloru, jakkolwiek, tendencja się zmienia. Chlor jest większy i ma więcej elektronów, a zatem wiązanie H-Cl jest dłuższe i słabsze. W obecności wody, elektrostatyczne przyciąganie między częściowo ujemnym tlenem wody i częściowo dodatnim wodorem na H-Cl jest wystarczająco silne, aby przerwać wiązanie H-Cl, a jony dysocjują w roztworze.

To samo rozumowanie dotyczy zarówno HBr i HI. Kwasy te są jeszcze silniejsze niż HCl, ponieważ jony Br- i I- są jeszcze większe. Jako takie, wiązania H-Br i H-I są jeszcze słabsze, a związki te również łatwo dysocjują w roztworze.

Nazwa kwasów dwuskładnikowych

Nazwy kwasów dwuskładnikowych zaczynają się od „hydro-„, po którym następuje nazwa drugiego pierwiastka, zmodyfikowana tak, aby kończyła się na „-ic”. Na przykład HCl jest nazywany kwasem chlorowodorowym.

Kwasy dwuskładnikowe są jedną z dwóch klas kwasów, drugą są kwasy tlenowe (lub tlenokwasy), które składają się z wodoru, tlenu i trzeciego elementu, który często jest niemetalem.

Kwasy tlenowe

Kwas tlenowy jest kwasem, który zawiera tlen.

Tlenokwas (czasami nazywany kwasem tlenowym ) jest kwasem, który zawiera tlen. Bardziej szczegółowo, kwas tlenowy to kwas, który:

1. zawiera tlen
2. zawiera co najmniej jeden inny pierwiastek
3. ma co najmniej jeden atom wodoru związany z tlenem
4. tworzy jon przez utratę jednego lub więcej protonów w roztworze.

Przykłady kwasów tlenowych obejmują:

• Kwasy karboksylowe
• Kwas siarkowy
• Kwas azotowy
• Kwas fosforowy

Halogenokwasy obejmują kwas podchlorawy (HOCl); kwas chlorawy(HOClO); kwas chlorowy(HOClO2); kwas oerchlorowy(HOClO3); kwas oerbromowy (HOBrO3)

Wszystkie kwasy tlenowe mają kwaśny wodór związany z atomem tlenu, więc siła wiązania (długość) nie jest czynnikiem, podobnie jak w przypadku dwuskładnikowych kwasów niemetalicznych; zamiast tego, głównym czynnikiem decydującym o względnej sile kwasu tlenowego jest elektronegatywność (X) centralnego atomu, jak również liczba atomów O wokół tego centralnego atomu.

Elektronegatywność atomu centralnego

Rozważmy proste tlenokwasy HOI (kwas hipojodowy), HOBr (kwas hipobromowy) i HOCl (kwas podchlorawy). Kwasy te mogą być ułożone w kolejności ich wartości pKavalu, a tym samym ich względnej siły:

HOCl pKa = 7,5 < HOBr pKa = 8,6 < HOI pKa = 10,6

Przypomnijmy, że mniejsze wartości pKa odpowiadają większej sile kwasu. Dlatego HOCl jest najsilniejszym kwasem, a HOI najsłabszym, a siła kwasu maleje wraz z obniżaniem się wartości centralnego halogenu w układzie okresowym.

Siła kwasu zależy od elektroujemności atomu centralnego w stosunku do atomów otaczających w cząsteczce. Ponieważ Cl jest najbardziej elektroujemny, przyciąga większość elektronów w cząsteczce HOCl do siebie; ponieważ H i Cl znajdują się na przeciwnych końcach cząsteczki, Cl przyciąga elektrony w wiązaniu H-O, osłabiając je w ten sposób. Im słabsze jest wiązanie H-O, tym łatwiej H+ może jonizować się w wodzie i tym mocniejszy jest kwas.

Liczba atomów tlenu wokół atomu centralnego

Rozważ rodzinę kwasów chlorooksowych, które są ułożone poniżej w kolejności wartości pKa:

HOClO3 pKa = -8 < HOClO2 pKa = -1.0 < HOClO pKa = 1,92 < HOCl pKa = 7,53

Najsilniejszym kwasem jest kwas nadchlorowy po lewej stronie, a najsłabszym kwas podchlorawy po prawej. Zauważ, że jedyną różnicą między tymi kwasami jest liczba oksygenów związanych z chlorem. Wraz ze wzrostem liczby oksygenów wzrasta siła kwasu; ponownie, ma to związek z elektronegatywnością. Tlen jest pierwiastkiem silnie elektronegatywnym, a im więcej atomów tlenu jest obecnych, tym bardziej gęstość elektronowa cząsteczki zostanie odciągnięta od wiązania O-H, osłabiając je i tworząc silniejszy kwas.

Kwasy karboksylowe

Kwasy karboksylowe są ważną podklasą organicznych kwasów tlenowych, charakteryzujących się obecnością co najmniej jednej grupy karboksylowej. Ogólny wzór kwasu karboksylowego to R-COOH, gdzie R jest jakąś monowalentną grupą funkcyjną. Grupa karboksylowa (lub karboksy) to grupa funkcyjna składająca się z karbonylu (RR’C=O) i hydroksylu (R-O-H), która ma wzór -C(=O)OH, zwykle zapisywany jako -COOH lub -CO2H.

Kwasy karboksylowe są najbardziej rozpowszechnionym rodzajem kwasów organicznych. Do najprostszych przykładów należy kwas mrówkowy H-COOH, który występuje u mrówek, oraz kwas octowy CH3-COOH, który nadaje octowi kwaśny smak. Kwasy z dwiema lub więcej grupami karboksylowymi nazywane są dikarboksylowymi, trójkarboksylowymi itd. Najprostszym przykładem kwasu dikarboksylowego jest kwas szczawiowy (COOH)2, który ma tylko dwie połączone grupy karboksylowe. Kwas mellitowy jest przykładem kwasu heksakarboksylowego. Inne ważne przykłady naturalne obejmują kwas cytrynowy (w cytrynach) i kwas winowy (w tamaryndowcach).

Sole i estry kwasów karboksylowych nazywane są karboksylanami. Kiedy grupa karboksylowa jest zdeprotonowana, tworzy się jej sprzężona zasada, anion karboksylanowy. Jony karboksylanowe są ustabilizowane rezonansowo, a ta zwiększona stabilność sprawia, że kwasy karboksylowe są bardziej kwaśne niż alkohole. Kwasy karboksylowe mogą być postrzegane jako zredukowane lub alkilowane formy dwutlenku węgla kwasu Lewisa; w pewnych okolicznościach mogą być dekarboksylowane w celu uzyskania dwutlenku węgla.

.