Кислотная сила - Acid strength

Кислота сила является тенденция к кислоте , символизирует химической формулой , диссоциировать в протон , , и анион , . Диссоциации сильной кислоты в растворе эффективно завершено, за исключением его наиболее концентрированных растворов.

Примерами сильных кислот являются соляная кислота , хлорная кислота , азотная кислота и серная кислота .

Слабая кислота диссоциирует только частично, причем как недиссоциированная кислота, так и продукты ее диссоциации присутствуют в растворе в равновесии друг с другом.

Уксусная кислота ( ) является примером слабой кислоты. Силы слабой кислоты количественно с помощью своей кислотой константы диссоциации , значения.

Сила слабой органической кислоты может зависеть от эффектов заместителей. Сила неорганической кислоты зависит от степени окисления атома, к которому может быть присоединен протон. Кислотная сила зависит от растворителя. Например, хлористый водород является сильной кислотой в водном растворе, но является слабой кислотой при растворении в ледяной уксусной кислоте .

Меры силы кислоты

Обычной мерой силы кислоты является ее константа диссоциации кислоты ( ), которая может быть определена экспериментально методами титрования . Более сильные кислоты имеют большую и меньшую логарифмическую константу ( ), чем более слабые кислоты. Чем сильнее кислота, тем легче она теряет протон . Два ключевых фактора , которые способствуют легкости депротонации являются полярность в связи и размер атома А, которые определяют прочность связи. Сила кислоты также зависит от стабильности конъюгированной основы.

В то время как значение измеряет тенденцию кислого растворенного вещества переносить протон в стандартный растворитель (чаще всего вода или ДМСО ), измеряется тенденция кислотного растворителя переносить протон в эталонное растворенное вещество (чаще всего слабое основание анилина ). его функция кислотности Hammett , по значению. Хотя эти две концепции силы кислоты , часто составляют одной и той же общей тенденции вещества, донором протона, то и значения являются мерами различных свойств и иногда могут расходиться. Например, фтористый водород, растворенный в воде ( = 3,2) или в ДМСО ( = 15), имеет значения, указывающие на то, что он подвергается неполной диссоциации в этих растворителях, что делает его слабой кислотой. Однако в качестве строго высушенной чистой кислой среды фтористый водород имеет значение –15, что делает его более протонирующей средой, чем 100% -ная серная кислота и, следовательно, по определению суперкислотой . (Во избежание двусмысленности в остальной части этой статьи «сильная кислота» будет, если не указано иное, относиться к кислоте, которая является сильной, если измерять ее значением ( <–1,74). Это использование согласуется с общепринятым языком большинства практикующие химики .)

Когда рассматриваемая кислая среда представляет собой разбавленный водный раствор, значение pH приблизительно равно значению pH , которое является отрицательным логарифмом концентрации водного раствора в растворе. PH простого раствора кислоты в воде определяется как концентрацией кислоты. Для слабых кислотных растворов это зависит от степени диссоциации , которая может быть определена равновесным расчетом. Для концентрированных растворов кислот, особенно сильных кислот, для которых pH <0, величина является лучшим показателем кислотности, чем pH.

Сильные кислоты

Образ сильной кислоты в основном диссоциирует. Маленькие красные кружки представляют ионы H + .

Сильная кислота представляет собой кислоту , которая диссоциирует по реакции

где S представляет собой молекулу растворителя, такую ​​как молекула воды или диметилсульфоксида (ДМСО), до такой степени, что концентрация недиссоциированных частиц слишком мала для измерения. Для практических целей можно сказать, что сильная кислота полностью диссоциирована. Пример сильной кислоты - соляная кислота.

(в водном растворе)

Любая кислота со значением менее примерно -2 считается сильной кислотой. Это является результатом очень высокой буферной способности растворов со значением pH 1 или меньше и называется эффектом выравнивания .

Ниже приведены сильные кислоты в водном растворе и растворе диметилсульфоксида. Значения , не могут быть измерены экспериментально. Значения в следующей таблице являются средними значениями 8 различных теоретических расчетов.

Оценочные р К а значения
Кислота Формула в воде в ДМСО
Соляная кислота HCl -5,9 ± 0,4 −2,0 ± 0,6
Бромистоводородная кислота HBr -8,8 ± 0,8 -6,8 ± 0,8
Йодистоводородная кислота ПРИВЕТ -9,5 ± 1 -10,9 ± 1
Трифликовая кислота H [CF 3 SO 3 ] -14 ± 2 -14 ± 2
Хлорная кислота H [ClO 4 ] -15 ± 2 -15 ± 2

Также в воде

  • Азотная кислота = -1,6
  • Серная кислота (только первая диссоциация, ≈ −3)

Следующие вещества могут быть использованы в качестве протонаторов в органической химии.

Сульфоновые кислоты , такие как п-толуолсульфоновая кислота (тозиловая кислота), представляют собой класс сильных органических оксикислот . Некоторые сульфоновые кислоты могут быть выделены в виде твердых веществ. Полистирол, функционализированный в сульфонат полистирола, является примером вещества, которое представляет собой твердую сильную кислоту.

Слабые кислоты

Изображение слабой кислоты, частично диссоциирующей

Слабая кислота - это вещество, которое частично диссоциирует при растворении в растворителе. В растворе существует равновесие между кислотой и продуктами диссоциации.

Растворитель (например, вода) не включается в это выражение, если его концентрация практически не изменяется в процессе диссоциации кислоты. Сила слабой кислоты может быть количественно определена в терминах константы диссоциации , , определяется следующим образом , где означает концентрацию химического фрагмента, X.

Когда известно числовое значение, его можно использовать для определения степени диссоциации в растворе с заданной концентрацией кислоты, применяя закон сохранения массы .

где - значение аналитической концентрации кислоты. Когда все величины в этом уравнении, рассматриваются как числа, ионные заряды не показаны , и это становится квадратным уравнением в значении величины концентрации ионов водорода, .

Это уравнение показывает, что pH раствора слабой кислоты зависит как от его значения, так и от его концентрации. Типичные примеры слабых кислот включают уксусную кислоту и фосфористую кислоту . Кислота, такая как щавелевая кислота ( ), называется двухосновной, потому что она может потерять два протона и вступить в реакцию с двумя молекулами простого основания. Фосфорная кислота ( ) трехосновная.

Для более строгой обработки силы кислоты см. Константу диссоциации кислоты . Это включает кислоты, такие как двухосновная кислота янтарная кислота , для которой простой метод расчета pH раствора, показанный выше, не может быть использован.

Экспериментальное определение

Экспериментальное определение значения обычно выполняется титрованием . Типичная процедура будет следующей. Некоторое количество сильной кислоты добавляют к раствору, содержащему кислоту или соль кислоты, до точки, когда соединение полностью протонируется. Затем раствор титруют сильным основанием.

до тех пор, пока в растворе не останется только депротонированные частицы . В каждой точке титрования pH измеряется с помощью стеклянного электрода и pH-метра . Константа равновесия находится путем подгонки рассчитанных значений pH к наблюдаемым значениям с использованием метода наименьших квадратов .

Конъюгат пара кислота / основание

Иногда говорят, что «конъюгат слабой кислоты является сильным основанием». Такое утверждение неверно. Например, уксусная кислота является слабой кислотой, имеющей a = 1,75 × 10 -5 . Его сопряженное основание представляет собой ацетат- ион с K b = 10 -14 / K a = 5,7 x 10 -10 (из соотношения K a × K b = 10 -14 ), что определенно не соответствует сильному основанию. Конъюгат слабой кислоты часто является слабым основанием и наоборот .

Кислоты в неводных растворителях

Сила кислоты варьируется от растворителя к растворителю. Кислота, которая сильна в воде, может быть слабой в менее основном растворителе, а кислота, которая слаба в воде, может быть сильной в более основном растворителе. Согласно кислотно-основной теории Бренстеда – Лоури , растворитель S может принимать протон.

Так , например, соляная кислота является слабой кислотой в растворе в чистой уксусной кислоте , , который является более кислым , чем вода.

Степень ионизации галогеноводородных кислот уменьшается на порядок . Говорят, что уксусная кислота является дифференцирующим растворителем для трех кислот, а вода - нет.

Важным примером растворителе , который является более основным , чем вода является диметилсульфоксид , ДМСО, . Соединение, которое в воде является слабой кислотой, может стать сильной кислотой в ДМСО. Уксусная кислота является примером такого вещества. Обширную библиографию значений в растворах в ДМСО и других растворителях можно найти в разделе «Данные о кислотности – основности в неводных растворителях» .

Суперкислоты - сильные кислоты даже в растворителях с низкой диэлектрической проницаемостью. Примерами суперкислот являются фторантимоновая кислота и магическая кислота . Некоторые суперкислоты могут кристаллизоваться. Они также могут количественно стабилизировать карбокатионы .

Кислоты Льюиса, реагирующие с основаниями Льюиса в газовой фазе и неводных растворителях, были классифицированы в модели ECW , и было показано, что не существует единого порядка силы кислот. Относительная акцепторная сила кислот Льюиса по отношению к ряду оснований по сравнению с другими кислотами Льюиса может быть проиллюстрирована графиками CB . Было показано, что для определения порядка силы кислоты Льюиса необходимо учитывать по крайней мере два свойства. Для качественной теории HSAB двумя свойствами являются твердость и прочность, в то время как для количественной модели ECW эти два свойства являются электростатическими и ковалентными.

Факторы, определяющие силу кислоты

Индуктивный эффект

В органических карбоновых кислотах электроотрицательный заместитель может вытягивать электронную плотность из кислотной связи за счет индуктивного эффекта , что приводит к меньшему значению. Эффект уменьшается по мере удаления электроотрицательного элемента от карбоксилатной группы, как показано на следующей серии галогенированных бутановых кислот .

Состав Имя p K a
2chlorobutanoic.png 2-хлорбутановая кислота 2,86
3chlorobutanoic.png 3-хлорбутановая кислота 4.0
4chlorobutanoic.png 4-хлорбутановая кислота 4.5
Butanoic.png бутановая кислота 4.5

Влияние степени окисления

В наборе оксокислот элемента значения уменьшаются с увеличением степени окисления элемента. Оксокислоты хлора иллюстрируют эту тенденцию.

Состав Имя
Состояние окисления
p K a
Хлорная кислота-2D-sizes.png хлорная кислота 7 -8
Хлорная кислота-2D.png хлорная кислота 5 -1
Хлористая кислота-2D.png хлористая кислота 3 2.0
Хлорноватистая кислота-2D-sizes.svg хлорноватистая кислота 1 7,53

† теоретический

Рекомендации

Внешние ссылки