Кислотная сила и молекулярная структура

Бинарные кислоты и основания

При отсутствии какого-либо выравнивающего эффекта кислотная прочность бинарных соединений водорода с неметаллами (A) увеличивается по мере уменьшения прочности связи H-A по группе в периодической таблице. Для группы 17 порядок повышения кислотности составляет HF < HCl < HBR < Привет. Аналогично, для группы 16 порядок увеличения кислотной силы составляет H2O < H2S < H2Se < H2Te. По ряду в периодической таблице кислотная прочность бинарных соединений водорода увеличивается с увеличением электроотрицательности неметаллического атома, так как увеличивается полярность связи H-A. Таким образом, порядок повышения кислотности (для удаления одного протона) во втором ряду – CH₄ < NH₃ < H2O < HF; в третьем ряду – SiH₄ < PH₃ < H2S < HCl.

Тронные кислоты и основания

Троичные соединения, состоящие из водорода, кислорода и некоторого третьего элемента (“E”), могут быть структурированы, как показано на рисунке ниже. В этих соединениях центральный атом E связан с одним или несколькими атомами O, и по крайней мере один из атомов O также связан с атомом H, соответствующим общей молекулярной формуле ome(OH)_n. Эти соединения могут быть кислотными, основными или амфотерическими в зависимости от свойств центрального атома E. Примерами таких соединений являются серная кислота, O2S(OH)₂, сернистая кислота, OS(OH)₂, азотная кислота, O2NOH, перхлоранная кислота, O3ClOH, гидроксид алюминия, Al(OH)₃, Гидроксид кальция, Ca(OH)₂ и гидроксид калия, KOH.

Если центральный атом, E, имеет низкую электрочувствительность, то его притяжение к электронам низкое. Для центрального атома существует мало склонности к формированию сильной ковалентной связи с атомом кислорода, и связь A между элементом и кислородом более легко разорвана, чем связь b между кислородом и водородом. Таким образом, связь A является ионной, ионы гидроксида высвобождаются в раствор, и материал ведет себя как основа — это случай с Ca(OH)₂ и KOH. Более низкая электронегенность характерна для более металлических элементов; следовательно, металлические элементы образуют ионные гидроксиды, которые, по определению, являются основными соединениями.

Если, с другой стороны, атом Е обладает относительно высокой электронегегативностью, то он сильно притягивает электроны, которые он разделяет с атомом кислорода, делая относительно сильную ковалентную связь. Таким образом, связь между кислородом и водородом, связь b, ослаблена из-за того, что электроны смещены в сторону E. Бонд b полярен и легко высвобождает ионы водорода в раствор, поэтому материал ведет себя как кислота. Высокие электрические характеристики характерны для более неметаллических элементов. Таким образом, неметаллические элементы образуют ковалентные соединения, содержащие кислотные группы -OH, которые называются оксикислотами.

Увеличение количества окисления центрального атома E также увеличивает кислотность оксикислоты, так как это увеличивает притяжение E для электронов, которые он разделяет с кислородом и тем самым ослабляет связь O-H. Серная кислота, H2SO₄ или O2S(OH)₂ (с окислением серы +6), более кислая, чем сернистая кислота, H2SO₃ или OS(OH)₂ (с окислением серы +4). Аналогично, азотная кислота, HNО₃ или O2NOH (N окисление номер = +5), более кислая, чем закись азота, HNО₂ или ONOH (N окисление номер = +3). В каждой из этих пар окислительный номер центрального атома больше для более сильной кислоты.

Карбоновые кислоты

Карбоновые кислоты содержат карбоксильную группу. Карбоновые кислоты являются слабыми кислотами, что означает, что они не на 100% ионизируются в воде.

Карбоновая кислота действует как слабая кислота, так как, как в случае с оксикислотами, второй кислород, прикрепленный к атому углерода, повышает полярность связи о-Н и делает ее слабее. Далее, после потери протона, карбоксильная группа преобразуется в карбоксилатный ион, который проявляет резонанс. Различные резонансные структуры стабилизируют карбоксилатный ион, так как его отрицательный заряд делокализован на несколько атомов.

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 14.3: Относительная прочность кислот и оснований и Openstax, Химия 2е изд., раздел 20.3 Альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, И Эстерс.