KYSELINY: VLASTNOSTI A PŘÍKLADY - CHEMIE - 2025

Tyto kyseliny jsou sloučeniny s vysokým tendence protony nebo přijímá elektronový pár. Existuje mnoho definic (Bronsted, Arrhenius, Lewis), které charakterizují vlastnosti kyselin, a každá z nich je doplněna, aby se vytvořil globální obraz těchto typů sloučenin.

Z výše uvedeného hlediska mohou být všechny známé látky kyselé, za takové se však považují pouze ty látky, které vynikají nad ostatními. Jinými slovy: pokud je látka extrémně slabým donorem protonu, například ve srovnání s vodou lze říci, že to není kyselina.

Kyselina octová, slabá kyselina, daruje proton (vodíkový ion, zvýrazněný zeleně) do vody při rovnovážné reakci za vzniku acetátového iontu a iontu hydronia. Červená: kyslík. Černý: uhlík. Bílá: vodík.

V tomto případě, co přesně jsou kyseliny a jejich přírodní zdroje? Typickým příkladem je uvnitř mnoha druhů ovoce: například citrusů. Limonády mají svou charakteristickou chuť díky kyselině citronové a dalším složkám.

Jazyk dokáže detekovat přítomnost kyselin, stejně jako jiné příchutě. V závislosti na úrovni kyselosti těchto sloučenin se chuť stává netolerovatelnější. Tímto způsobem funguje jako jazyk organoleptického metr pro koncentraci kyselin, konkrétně koncentrace hydroniového iontu (H ₃ O ⁺).

Na druhé straně se kyseliny nacházejí nejen v potravě, ale také v živých organismech. Podobně půda představuje látky, které je mohou charakterizovat jako kyselé; to je případ hliníkových a jiných kovových kationtů.

Charakteristika kyselin

Jaké vlastnosti musí být sloučenina podle stávajících definic považována za kyselou?

Musí být schopna vytvářet H ⁺ a OH ^- ionty rozpuštěním ve vodě (Arrhenius), musí velmi snadno darovat protony jiným druhům (Bronsted) nebo konečně musí být schopna přijmout pár elektronů, přičemž je záporně nabitá (Lewis).

Tyto vlastnosti však úzce souvisejí s chemickou strukturou. Proto se naučíme jej analyzovat a zjistíme jeho sílu kyselosti nebo několika sloučenin, která z nich je nejvíce kyselá.

- Fyzikální vlastnosti

Kyseliny mají chuť, stojí za redundanci, kyselinu a jejich vůně často pálí nosní dírky. Jsou to kapaliny s lepkavou nebo mastnou texturou a mají schopnost změnit barvu lakmusového papíru a methyl oranžovou na červenou (Properties of Acids and Bases, SF).

- Schopnost vytvářet protony

V roce 1923 dánský chemik Johannes Nicolaus Brønsted a anglický chemik Thomas Martin Lowry představili teorii Brønsted a Lowry, která uvádí, že jakákoli sloučenina, která dokáže převést proton na jakoukoli jinou sloučeninu, je kyselina (Encyclopædia Britannica, 1998). Například v případě kyseliny chlorovodíkové:

HCI → H ⁺ + Cl ^-

Brønstedova a Lowryho teorie nevysvětlila kyselé chování určitých látek. V roce 1923 americký chemik Gilbert N. Lewis představil svou teorii, ve které je kyselina považována za jakoukoli sloučeninu, která je při chemické reakci schopna spojit pár elektronů nesdílených v jiné molekule (Encyclopædia Britannica, 1998)..

Tímto způsobem mají ionty jako Cu ²⁺, Fe ²⁺ a Fe ³⁺ schopnost vázat se na páry volných elektronů, například z vody, a produkovat protony následujícím způsobem:

Cu ²⁺ + 2 H ₂ O → Cu (OH) ₂ + 2 H ⁺

- Mají vodíky chudé na elektronovou hustotu

Pro molekuly methanu, CH ₄, žádný z jeho atomů vodíku je elektronicky nedostatečné. Je to proto, že rozdíl v elektronegativitách mezi uhlíkem a vodíkem je velmi malý. Ale při výměně jednoho z atomů vodíku jedním z fluoru, pak by bylo znatelné změně dipólového momentu: H ₂ FC- H.

H zažívá posun svého cloudu elektronů směrem k sousednímu atomu vázanému na F, což je stejné, δ + se zvyšuje. Opět platí, že pokud jiný H nahrazen jiným F, pak molekula se stává: HF ₂ C- H.

Nyní δ + je ještě větší, protože dvěma atomy fluoru, vysoce elektronegativní elektronovou hustotou, která odstranila C, a tento druhý následně k H. Pokud proces výměny pokračuje, získá se konečně: F ₃ C- H.

V této poslední molekule H představuje v důsledku tří sousedních atomů F značný elektronický nedostatek. Tento δ + si nevšimne žádného druhu dostatečně bohatého na elektrony, aby stripoval tento H a tímto způsobem F ₃ CH, aby se stal záporně nabitým:

F ₃ C- H +: N ^- (negativní druh) => F ₃ C: ^- + H N

Výše uvedené chemické reakce může být také považována za tímto způsobem: F ₃ CH daruje proton (H ⁺ je H jednou oddělí od molekuly), aby: N; nebo, F ₃ CH získá pár elektronů z H, když je další dvojice daroval druhý z: N ^-.

- Konstanta pevnosti nebo kyselosti

Kolik F ₃ C: ^- je přítomen v roztoku? Nebo, kolik molekuly F ₃ CH mohou darovat kyselého vodíku na N? Chcete-li odpověď na tyto otázky, je nezbytné určit koncentraci F ₃ C: ^- nebo H N a pomocí matematickou rovnici, vytvořit číselnou hodnotu s názvem konstanta kyselosti, Ka.

Čím více molekul F ₃ C: ^- nebo HN produkoval je kyselejší F ₃ CH bude a tím vyšší je jeho Ka. Tímto způsobem Ka pomáhá kvantitativně objasnit, které sloučeniny jsou kyselejší než ostatní; a stejně tak se zbavuje kyselin, jejichž Ka má extrémně malý řád.

Některé Ka mohou mít hodnoty, které jsou kolem 10 ^-1 a 10 ^-5, a jiné, hodnoty miliontiny menší, jako 10 ^-15 a 10 ^-35. Potom lze říci, že posledně jmenované, které mají uvedené konstanty kyselosti, jsou extrémně slabé kyseliny a jako takové mohou být vyřazeny.

Tak který z těchto molekul má nejvyšší Ka: CH ₄, CH ₃ F, CH ₂ F _2, nebo CHF ₃ ? Odpověď spočívá v nedostatku elektronové hustoty, 5 +, v jejich vodíku.

Měření

Jaká jsou kritéria pro standardizaci měření Ka? Jeho hodnota se může značně lišit v závislosti na tom, který druh dostane H ⁺. Například, pokud: N je silná základna, Ka bude velká; ale pokud je to naopak velmi slabá základna, Ka bude malá.

Měření Ka se provádí za použití nejběžnějších a nejslabších ze všech bází (a kyselin): vody. V závislosti na stupni darování H ⁺ na H ₂ O molekul, a to na 25 ° C a při tlaku jedné atmosféry, jsou stanoveny standardní podmínky pro určení kyselost konstanty pro všechny sloučeniny.

Z toho vychází repertoár tabulek kyselinových konstant pro mnoho sloučenin, anorganických i organických.

- Má velmi stabilní konjugované báze

Kyseliny mají ve svých chemických strukturách vysoce elektronegativní atomy nebo jednotky (aromatické kruhy), které přitahují hustoty elektronů z okolních vodíků, což způsobuje, že se stanou částečně pozitivními a reaktivními na bázi.

Jakmile se protony darují, kyselina se transformuje na konjugovanou bázi; to je negativní druh schopný přijmout H ⁺ nebo darovat pár elektronů. V příkladu na CF ₃ H molekula její konjugované báze je CF ₃ ^-:

CF ₃ ^- + HN <=> CHF ₃ +: N ^-

Pokud CF _3, ^- je velmi stabilní konjugovaná báze, rovnováha bude více posunuta vlevo než vpravo. Také, čím stabilnější je, tím reaktivnější a kyselejší bude kyselina.

Jak víte, jak jsou stabilní? Vše záleží na tom, jak se vypořádají s novým negativním nábojem. Pokud mohou efektivně přemístit nebo rozptýlit rostoucí elektronovou hustotu, nebude k dispozici pro použití ve spojení se základnou H.

- Mohou mít kladné poplatky

Ne všechny kyseliny mají vodíkové deficience, ale mohou mít i jiné atomy schopné přijmout elektrony, s kladným nábojem nebo bez něj.

Jak je to? Například v fluoridu boritého, BF ₃, atom B postrádá oktet valence, takže se může tvořit vazbu s kterémkoliv atomu, který mu dodává elektronový pár. Pokud aniontového F ^- kolo v jeho blízkosti se vyskytuje následující chemické reakce:

BF ₃ + F ^- => BF ₄ ^-

Na druhé straně, volné kovové kationty, jako je Al ³⁺, Zn ²⁺, Na ⁺ atd., Jsou považovány za kyseliny, protože mohou přijímat datové (koordinační) vazby elektronově bohatých druhů ze svého prostředí. Stejně tak reagují s OH ^- ionty, aby se vysrážel jako hydroxidy kovů:

Zn ²⁺ (aq) + 2OH ^- (aq) => Zn (OH) ₂ (s)

Všechny tyto jsou známé jako Lewisovy kyseliny, zatímco ty, které darují protony, jsou Bronstedovy kyseliny.

- Jejich roztoky mají hodnoty pH nižší než 7

Obrázek: stupnice pH.

Konkrétněji kyselina, když je rozpuštěna v jakémkoli rozpouštědle (které ji výrazně nezneutralizuje), vytváří roztoky s pH nižším než 3, i když pod 7 jsou považovány za velmi slabé kyseliny.

To lze ověřit pomocí indikátoru na bázi kyseliny, jako je fenolftalein, univerzální indikátor nebo fialová zelná šťáva. Sloučeniny, které mění barvy na barvy uvedené pro nízké pH, se považují za kyseliny. Jedná se o jeden z nejjednodušších testů k určení jejich přítomnosti.

Totéž lze udělat například pro různé vzorky půdy z různých částí světa, a tak stanovit jejich hodnoty pH, aby je společně s dalšími proměnnými charakterizovaly.

A konečně všechny kyseliny mají kyselou chuť, pokud nejsou tak koncentrované, aby nevratně spálily tkáně jazyka.

- Schopnost neutralizovat báze

Arrhenius ve své teorii navrhuje, aby kyseliny tím, že budou schopny vytvářet protony, reagovaly s hydroxylem bází za vzniku soli a vody následujícím způsobem:

HCI + NaOH → NaCl + H ₂ O.

Tato reakce se nazývá neutralizace a je základem analytické techniky zvané titrace (Bruce Mahan, 1990).

Silné a slabé kyseliny

Kyseliny se dělí na silné a slabé kyseliny. Síla kyseliny je spojena s její rovnovážnou konstantou, takže v případě kyselin se tyto konstanty nazývají kyselinové konstanty Ka.

Silné kyseliny mají tedy velkou kyselinovou konstantu, takže mají tendenci se úplně disociovat. Příklady těchto kyselin jsou kyselina sírová, kyselina chlorovodíková a kyselina dusičná, jejichž kyselinové konstanty jsou tak velké, že je nelze měřit ve vodě.

Na druhé straně slabá kyselina je ta, jejíž disociační konstanta je nízká, takže je v chemické rovnováze. Příklady těchto kyselin jsou kyselina octová a kyselina mléčná a kyselina dusitá, jejichž konstanty kyselosti jsou řádově ^10-4. Obrázek 1 ukazuje různé konstanty kyselosti pro různé kyseliny.

Obrázek 1: kyselé disociační konstanty.

Příklady kyselin

Halogenidy vodíku

Všechny halogenovodíky jsou kyselé sloučeniny, zejména jsou-li rozpuštěny ve vodě:

-HF (kyselina fluorovodíková).

-HCl (kyselina chlorovodíková).

-HBr (kyselina bromovodíková).

-HI (kyselina jodová).

Oxokyseliny

Oxo kyseliny jsou protonované formy oxoanionů:

HNO ₃ (kyselina dusičná).

H ₂ SO ₄ (kyselina sírová).

H ₃ PO ₄ (kyselina fosforečná).

HClO ₄ (kyseliny chloristé).

Super kyseliny

Super kyseliny jsou směsí silné Bronstedovy kyseliny a silné Lewisovy kyseliny. Jakmile se smísí, vytvoří komplexní struktury, kde podle určitých studií H ⁺ „skočí“ do nich.

Jejich korozivní síla je taková, že jsou miliardy krát silnější než koncentrované H ₂ SO ₄. Používají se k praskání velkých molekul přítomných v ropě, na menší, rozvětvené molekuly as velkou přidanou ekonomickou hodnotou.

-BF ₃ / HF

-SbF ₅ / HF

-SbF ₅ / HSO ₃ F

-CF ₃ SO ₃ H

Organické kyseliny

Organické kyseliny se vyznačují tím, že mají jednu nebo více karboxylových skupin (COOH) a mezi nimi jsou:

- Kyselina citronová (přítomná v mnoha druzích ovoce)

Kyselina jablečná (ze zelených jablek)

- kyselina octová (z komerčního octa)

- Kyselina butylová (ze žluknutého másla)

- Kyselina vinná (z vín)

-A rodina mastných kyselin.

Reference

1. Torrens H. Tvrdé a měkké kyseliny a báze.. Převzato z: depa.fquim.unam.mx
2. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (3. května 2018). Názvy 10 běžných kyselin. Obnoveno z: thinkco.com
3. Choráše Netorials. Kyseliny a báze: molekulární struktura a chování. Převzato z: chem.wisc.edu
4. Deziel, Chris. (27. dubna 2018). Obecné vlastnosti kyselin a zásad. Sciencing. Obnoveno z: sciencing.com
5. Centrum superpočítačů v Pittsburghu (PSC). (25. října 2000). Obnoveno z: psc.edu.