- Charakterystyka kwasów
- - Właściwości fizyczne
- - Zdolność do generowania protonów
- - Mają wodory o niskiej gęstości elektronowej
- - Stała wytrzymałości lub kwasowości
- Pomiary
- - Ma bardzo stabilne zasady koniugatu
- - Mogą mieć ładunki dodatnie
- - Ich roztwory mają wartości pH niższe niż 7
- - Zdolność do neutralizacji zasad
- Mocne kwasy i słabe kwasy
- Przykłady kwasów
- Halogenki wodoru
- Oksokwasy
- Super kwasy
- Kwasy organiczne
- Bibliografia
Te kwasy są związkami o wysokiej skłonności donorem protonu lub przyjęcia pary elektronów. Istnieje wiele definicji (Bronsted, Arrhenius, Lewis) charakteryzujących właściwości kwasów, a każda z nich jest uzupełniona, aby zbudować globalny obraz tego typu związków.
Z powyższej perspektywy wszystkie znane substancje mogą być kwaśne, jednak tylko te, które wyróżniają się znacznie powyżej innych, są za takie uważane. Innymi słowy: jeśli substancja jest wyjątkowo słabym donorem protonów w porównaniu na przykład z wodą, to można powiedzieć, że nie jest to kwas.
Kwas octowy, słaby kwas, przekazuje proton (jon wodorowy, zaznaczony na zielono) wodzie w reakcji równowagowej, dając jon octanowy i jon hydroniowy. Czerwony: tlen. Czarny karbon. Biały: wodór.
W takim przypadku, jakie dokładnie są kwasy i ich naturalne źródła? Typowy ich przykład można znaleźć w wielu owocach, takich jak cytrusy. Lemoniady mają swój charakterystyczny smak dzięki kwaskowi cytrynowemu i innym składnikom.
Język może wykryć obecność kwasów, podobnie jak inne smaki. W zależności od poziomu kwasowości tych związków smak staje się bardziej nie do zniesienia. W ten sposób język działa jako organoleptyczny miernik stężenia kwasów, a zwłaszcza stężenia jonów hydroniowych (H 3 O + ).
Z drugiej strony kwasy występują nie tylko w żywności, ale także w organizmach żywych. Podobnie gleby zawierają substancje, które mogą charakteryzować je jako kwaśne; tak jest w przypadku aluminium i innych kationów metali.
Charakterystyka kwasów
Jakie cechy musi mieć związek, zgodnie z istniejącymi definicjami, aby można go było uznać za kwaśny?
Musi być zdolny do generowania jonów H + i OH - poprzez rozpuszczanie w wodzie (Arrhenius), musi bardzo łatwo przekazywać protony innym gatunkom (Bronsted) lub wreszcie musi być w stanie przyjąć parę elektronów, będąc naładowanymi ujemnie (Lewis).
Jednak te cechy są ściśle związane ze strukturą chemiczną. Dlatego ucząc się go analizować, można wywnioskować, który z nich jest najbardziej kwaśny, jego kwasowość lub kilka związków.
- Właściwości fizyczne
Kwasy mają smak warty zbędności, kwas, a ich zapach często pali nozdrza. Są to płyny o lepkiej lub oleistej konsystencji, które mają zdolność zmiany koloru papierka lakmusowego i oranżu metylowego na czerwony (Properties of Acids and Bases, SF).
- Zdolność do generowania protonów
W 1923 roku duński chemik Johannes Nicolaus Brønsted i angielski chemik Thomas Martin Lowry przedstawili teorię Brønsteda i Lowry'ego, według której każdy związek, który może przenieść proton do innego związku, jest kwasem (Encyclopædia Britannica, 1998). Na przykład w przypadku kwasu solnego:
HCl → H + + Cl -
Teoria Brønsteda i Lowry'ego nie wyjaśniła kwaśnego zachowania niektórych substancji. W 1923 roku amerykański chemik Gilbert N. Lewis przedstawił swoją teorię, w której kwas uważany jest za dowolny związek, który w reakcji chemicznej jest zdolny do połączenia pary elektronów niedzielonych w innej cząsteczce (Encyclopædia Britannica, 1998) .
W ten sposób jony takie jak Cu 2+ , Fe 2+ i Fe 3+ mają zdolność wiązania się z parami wolnych elektronów np. Z wody do produkcji protonów w następujący sposób:
Cu 2+ + 2H 2 O → Cu (OH) 2 + 2H +
- Mają wodory o niskiej gęstości elektronowej
W przypadku cząsteczki metanu, CH 4 , żaden z jej wodorów nie jest pozbawiony elektronów. Dzieje się tak, ponieważ różnica w elektroujemności między węglem a wodorem jest bardzo mała. Ale jeśli zastąpić jeden z atomów H przez jeden z fluorem, to nie byłoby być zauważalna zmiana momentu dipolowego: H 2 FC- H .
H doświadcza przemieszczenia swojej chmury elektronów w kierunku sąsiedniego atomu związanego z F, co jest tym samym, δ + wzrasta. Ponownie, jeśli inny H zostanie zastąpiony innym F, wówczas cząsteczka stanie się: HF 2 C- H .
Teraz δ + jest jeszcze większa, ponieważ dwa atomy F, silnie elektroujemnym gęstości elektronów, co usuwa C, a ten ostatni w konsekwencji do H . Jeżeli proces wymiany dalszym końcu otrzymano: F 3 C- H .
W tej ostatniej cząsteczce H , jako konsekwencja trzech sąsiadujących atomów F, wykazuje wyraźny niedobór elektronów. To δ + nie pozostaje niezauważone dla żadnego gatunku wystarczająco bogatego w elektrony, aby usunąć ten H i, w ten sposób, F 3 CH, aby uzyskać ładunek ujemny:
F 3 C– H +: N - (gatunek ujemny) => F 3 C: - + H N
Powyższe równanie chemiczne można również rozpatrywać w ten sposób: F 3 CH przekazuje proton (H + , H po odłączeniu od cząsteczki) do: N; lub F 3 CH zyskuje parę elektronów z H, gdy kolejna para zostanie przekazana temu drugiemu z: N - .
- Stała wytrzymałości lub kwasowości
Ile F 3 C: - jest obecne w roztworze? Albo ile cząsteczek F 3 CH może przekazać N kwasowy wodór? Aby odpowiedzieć na te pytania, należy wyznaczyć stężenie F 3 C: - lub H N i za pomocą równania matematycznego ustalić wartość liczbową zwaną stałą kwasowości Ka.
Im więcej wytworzonych cząsteczek F 3 C: - lub HN, tym bardziej kwaśny będzie F 3 CH i tym większy będzie jego Ka. W ten sposób Ka pomaga wyjaśnić ilościowo, które związki są bardziej kwaśne niż inne; i podobnie, odrzuca jako kwasy te, których Ka jest bardzo małego rzędu.
Niektóre Ka może mieć wartości, które są o 10 -1 do 10 -5 i inne czynniki, jak mniejsze wartości milionowych 10 -15 i 10 -35 . Można zatem powiedzieć, że te ostatnie, mając wymienione stałe kwasowości, są wyjątkowo słabymi kwasami i jako takie można je wyrzucić.
Więc która z poniższych cząsteczek ma najwyższy Ka: CH 4 , CH 3 F, CH 2 F 2 lub CHF 3 ? Odpowiedź leży w braku gęstości elektronów δ + w ich wodorach.
Pomiary
Ale jakie są kryteria standaryzacji pomiarów Ka? Jego wartość może się znacznie różnić w zależności od tego, który gatunek otrzyma H + . Na przykład, jeśli: N jest mocną zasadą, Ka będzie duże; ale jeśli przeciwnie, jest to bardzo słaba podstawa, Ka będzie małe.
Pomiary Ka są wykonywane przy użyciu najpowszechniejszej i najsłabszej ze wszystkich zasad (i kwasów): wody. W zależności od stopnia oddawania H + do cząsteczek H 2 O, w temperaturze 25 ° C i pod ciśnieniem jednej atmosfery, ustalane są standardowe warunki określania stałych kwasowości dla wszystkich związków.
Z tego wynika repertuar tabel stałych kwasowości dla wielu związków, zarówno nieorganicznych, jak i organicznych.
- Ma bardzo stabilne zasady koniugatu
Kwasy mają silnie elektroujemne atomy lub jednostki (pierścienie aromatyczne) w swoich strukturach chemicznych, które przyciągają gęstości elektronów z otaczających wodorów, powodując, że stają się one częściowo dodatnie i reaktywne z zasadą.
Po oddaniu protonów kwas przekształca się w sprzężoną zasadę; to znaczy ujemny gatunek zdolny do przyjmowania H + lub oddawania pary elektronów. W przykładzie cząsteczki CF 3 H jej sprzężoną zasadą jest CF 3 - :
CF 3 - + HN <=> CHF 3 +: N -
Jeśli CF 3 - jest bardzo stabilną zasadą sprzężoną, równowaga będzie przesunięta bardziej w lewo niż w prawo. Im bardziej jest stabilny, tym bardziej reaktywny i kwaśny będzie kwas.
Skąd wiesz, jak są stabilne? Wszystko zależy od tego, jak sobie poradzą z nowym ładunkiem ujemnym. Jeśli będą w stanie skutecznie zdelokalizować lub rozproszyć rosnącą gęstość elektronów, nie będą one dostępne do użycia w wiązaniu z podstawą H.
- Mogą mieć ładunki dodatnie
Nie wszystkie kwasy mają wodory z niedoborem elektronów, ale mogą mieć również inne atomy zdolne do przyjmowania elektronów, z ładunkiem dodatnim lub bez.
Jak to jest? Na przykład w trifluorku boru, BF 3 , atomowi B brakuje oktetu wartościowości, więc może on utworzyć wiązanie z dowolnym atomem, który daje mu parę elektronów. Jeżeli anion F - okrągły w jego pobliżu zachodzi następująca reakcja chemiczna:
BF 3 + F - => BF 4 -
Z drugiej strony, wolne kationy metali, takie jak Al 3+ , Zn 2+ , Na + itp., Są uważane za kwasy, ponieważ mogą przyjmować wiązanie celowe (koordynacyjne) gatunków bogatych w elektrony ze swojego środowiska. Podobnie reagują z jonami OH - wytrącając się w postaci wodorotlenków metali:
Zn 2+ (aq) + 2OH - (aq) => Zn (OH) 2 (s)
Wszystkie z nich są znane jako kwasy Lewisa, podczas gdy te, które przekazują protony, to kwasy Bronsteda.
- Ich roztwory mają wartości pH niższe niż 7
Rysunek: skala pH.
Dokładniej, kwas po rozpuszczeniu w jakimkolwiek rozpuszczalniku (który nie neutralizuje go w znacznym stopniu) tworzy roztwory o pH niższym niż 3, chociaż poniżej 7 uważa się je za bardzo słabe kwasy.
Można to sprawdzić za pomocą wskaźnika kwasowo-zasadowego, takiego jak fenoloftaleina, wskaźnik uniwersalny lub sok z fioletowej kapusty. Te związki, które zmieniają kolor na wskazane dla niskiego pH, są traktowane jako kwasy. To jeden z najprostszych testów pozwalających określić ich obecność.
To samo można zrobić, na przykład, dla różnych próbek gleby z różnych części świata, określając w ten sposób ich wartości pH, aby wraz z innymi zmiennymi je scharakteryzować.
I wreszcie, wszystkie kwasy mają kwaśny posmak, o ile nie są na tyle skoncentrowane, aby nieodwracalnie spalić tkanki języka.
- Zdolność do neutralizacji zasad
Arrhenius w swojej teorii proponuje, że kwasy, zdolne do generowania protonów, reagują z hydroksylem zasad, tworząc sól i wodę w następujący sposób:
HCl + NaOH → NaCl + H 2 O.
Reakcja ta nazywana jest neutralizacją i jest podstawą techniki analitycznej zwanej miareczkowaniem (Bruce Mahan, 1990).
Mocne kwasy i słabe kwasy
Kwasy dzieli się na mocne i słabe kwasy. Siła kwasu jest związana z jego stałą równowagi, stąd w przypadku kwasów te stałe nazywane są stałymi kwasowymi Ka.
Zatem mocne kwasy mają dużą stałą kwasową, więc mają tendencję do całkowitej dysocjacji. Przykładami takich kwasów są kwas siarkowy, solny i azotowy, których stałe kwasowe są tak duże, że nie można ich zmierzyć w wodzie.
Z drugiej strony słaby kwas to taki, którego stała dysocjacji jest niska, więc znajduje się w równowadze chemicznej. Przykładami takich kwasów są kwas octowy i kwas mlekowy oraz kwas azotawy, których stałe kwasowości są rzędu 10-4 . Rysunek 1 przedstawia różne stałe kwasowości dla różnych kwasów.
Rysunek 1: stałe dysocjacji kwasu.
Przykłady kwasów
Halogenki wodoru
Wszystkie halogenowodory są związkami kwaśnymi, zwłaszcza rozpuszczonymi w wodzie:
-HF (kwas fluorowodorowy).
-HCl (kwas solny).
-HBr (kwas bromowodorowy).
-HI (kwas jodowy).
Oksokwasy
Oksokwasy to protonowane formy oksoanionów:
HNO 3 (kwas azotowy).
H 2 SO 4 (kwas siarkowy).
H 3 PO 4 (kwas fosforowy).
HClO 4 (kwas nadchlorowy).
Super kwasy
Super kwasy są mieszaniną mocnego kwasu Bronsteda i mocnego kwasu Lewisa. Po zmieszaniu tworzą złożone struktury, w których według niektórych badań „skacze” H + .
Ich siła korozyjna jest taka, że są miliardy razy silniejsze niż stężony H 2 SO 4 . Służą do rozbijania dużych cząsteczek obecnych w ropie naftowej na mniejsze, rozgałęzione cząsteczki i mają dużą wartość dodaną ekonomiczną.
-BF 3 / HF
-SbF 5 / HF
-SbF 5 / HSO 3 F.
-CF 3 SO 3 H
Kwasy organiczne
Kwasy organiczne charakteryzują się tym, że posiadają jedną lub więcej grup karboksylowych (COOH), a wśród nich są:
-Kwas cytrynowy (obecny w wielu owocach)
Kwas jabłkowy (z zielonych jabłek)
-Kwas octowy (z octu handlowego)
-Kwas masłowy (z zjełczałego masła)
-Kwas winowy (z win)
-I rodzina kwasów tłuszczowych.
Bibliografia
- Torrens H. Kwasy i zasady twarde i miękkie. . Zaczerpnięte z: depa.fquim.unam.mx
- Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (3 maja 2018). Nazwy 10 popularnych kwasów. Odzyskany z: thinkco.com
- Chempages Netorials. Kwasy i zasady: struktura molekularna i zachowanie. Zaczerpnięte z: chem.wisc.edu
- Deziel, Chris. (27 kwietnia 2018). Ogólna charakterystyka kwasów i zasad. Nauka. Odzyskany z: sciencing.com
- Pittsburgh Supercomputing Center (PSC). (25 października 2000). Odzyskany z: psc.edu.