La fuerza del ácido, Los ácidos fuertes, Los ácidos débiles, Factores que determinan la fuerza del ácido, Corrosividad



La fuerza de un ácido se refiere a su capacidad o tendencia a perder un protón. Hay muy pocos ácidos fuertes. Un ácido fuerte es uno que ioniza completamente en agua, es decir, un mol de un ácido fuerte HA se disuelve en el agua produciendo un mol de H y un mol de la base conjugada, A-. Esencialmente ninguno de los ácido HA no ionizada permanece. En contraste, un ácido débil se disocia sólo parcialmente, y en el equilibrio están presentes en solución tanto el ácido como la base conjugada. Ejemplos de ácidos fuertes son el ácido clorhídrico, ácido yodhídrico, ácido bromhídrico, ácido perclórico, ácido nítrico y ácido sulfúrico. En agua de cada uno de estos ioniza esencialmente 100%. Cuanto más fuerte es un ácido, más fácilmente se pierde un protón, H . Dos factores principales que contribuyen a la facilidad de desprotonación son la polaridad de la unión de HA y el tamaño de un átomo, que determina la resistencia de la unión de HA. Concentraciones de ácido también se discuten a menudo en términos de la estabilidad de la base conjugada.

Los ácidos más fuertes tienen una Ka mayor y un pKa menor que los ácidos más débiles.

Los ácidos sulfónicos, que son oxiácidos orgánicos, son una clase de ácidos fuertes. Un ejemplo común es el ácido toluensulfónico. A diferencia de propio ácido sulfúrico, ácidos sulfónicos pueden ser sólidos. De hecho, el poliestireno funcionalizado en sulfonato de poliestireno es un plástico sólido fuertemente ácido que es filtrable.

Superacids son ácidos más fuertes que 100% de ácido sulfúrico. Ejemplos de superácidos son el ácido fluoroantimonic, ácido mágico y ácido perclórico. Superacids pueden protonar permanentemente agua para dar iónicos, hidronio cristalinas "sales". También pueden estabilizar cuantitativamente carbocationes.

Los ácidos fuertes

Un ácido fuerte es un ácido que ioniza completamente en una solución acuosa por la pérdida de un protón, de acuerdo con la ecuación

 HA? H A-

Para el ácido sulfúrico, el cual es diprótico, la designación "ácido fuerte" se refiere sólo a la disociación del primer protón

 H2SO4? H HSO4-

Más precisamente, el ácido debe ser más fuerte en solución acuosa de iones hidronio, ácidos tan fuertes son ácidos con un pKa <-1,74 - Un ejemplo es HCl para que pKa = -6,3. En general, esto significa que en solución acuosa a temperatura y presión estándar, la concentración de iones hidronio es igual a la concentración de ácido fuerte introducido a la solución.

En el resto de las reacciones ácido-agua, la disociación no es completa, por lo que se representa como un equilibrio, no una reacción completa. La definición típica de un ácido débil es cualquier ácido que no se disocian completamente. La diferencia que separa las constantes de disociación de ácido de ácidos fuertes de todos los otros ácidos es tan pequeña que esta es una delimitación razonable.

Debido a la disociación completa de ácidos fuertes en solución acuosa, la concentración de iones hidronio en el agua es igual a la concentración total del ácido introducido a la solución de: == total y pH =-log.

La determinación de la fuerza del ácido

La fuerza de un ácido, en comparación con otros ácidos, se puede determinar sin el uso de los cálculos de pH mediante la observación de las siguientes características:

  • Electronegatividad: Cuanto mayor es la electronegatividad de una base conjugada en el mismo período, la más ácida. En otras palabras, cuanto más electronegativo A-es decir, más ácida.
  • Radio atómico: al aumentar el radio atómico, la acidez aumenta también. Por ejemplo, HCl y HI, ambos ácidos fuertes, ionizan 100% en agua para convertirse en sus respectivos constituyentes iónicos. Sin embargo, HI es más fuerte que el HCl. Esto es debido a que el radio atómico de un átomo de yodo es mucho más grande que la de un átomo de cloro. Como resultado, la carga negativa sobre el I-anión se dispersa sobre una nube de electrones más grande y su atracción para el protón no es tan fuerte como la misma atracción en HCl. Por lo tanto, HI se ioniza más fácilmente.
  • Carga: La más cargado positivamente una especie es, la más ácida.
  • Equilibrio: La fuerza de un ácido también puede ser definido por la posición de equilibrio de la reacción de disociación: HA H2O? H3O A-
  • En un ácido fuerte, el equilibrio se encuentra muy a la derecha, lo que significa que casi la totalidad de la HA original es disociado en el equilibrio. Un ácido fuerte se obtiene un conjugado de base débil, por lo que un ácido fuerte también se describe como un ácido cuya base conjugada es una base mucho más débil que el agua.

    Ácidos fuertes comunes

    Esta es una lista de ácidos fuertes con un pKa <-1,74, que es más fuerte que el ion hidronio, de fuerte al más débil.

    • Hydroiodic ácido HI
    • Ácido bromhídrico HBr
    • Ácido perclórico HClO4
    • HCl ácido clorhídrico
    • Ácido sulfúrico H2SO4
    • ácido fuerte soluble en p-tolueno-sulfónico ácido orgánico

    Casi ácidos fuertes

    Estos no cumplen con el criterio estricto de ser más ácido que el H3O , aunque en una solución muy diluida se disocian casi por completo, así que a veces se incluyen como "ácidos fuertes"

    • Ion hidronio H3O . Hidronio se utiliza a menudo como una aproximación del estado de protones en agua.
    • Ácido nítrico HNO3
    • Ácido clórico HClO3
    • Algunos químicos incluyen el ácido bromhídrico, el ácido perbrómico, ácido yódico, ácido periódico y como ácidos fuertes, aunque estos no son aceptados universalmente.

    Extremadamente ácidos fuertes

    • Fluoroantimonic ácido H
    • Ácido Magia FSO3HSbF5
    • Carboranil superácido H
    • Fluorosulfúrico ácido FSO3H
    • Ácido tríflico CF3SO3H

    Los ácidos débiles

    La mayoría de los ácidos son ácidos débiles. Un ácido débil es un ácido que se disocia forma incompleta, la liberación de sólo algunos de sus átomos de hidrógeno en la solución. Por lo tanto, es menos capaz que un ácido fuerte de donadores de protones. Estos ácidos tienen mayor pKa de los ácidos fuertes, que liberan la totalidad de sus átomos de hidrógeno cuando se disuelve en agua. Ejemplos de ácidos débiles incluyen el ácido acético y el ácido oxálico.

    Disociación

    Los ácidos débiles se ionizan en solución de agua a sólo un grado moderado, es decir, si el ácido se representa por la fórmula general HA, a continuación, en solución acuosa todavía sigue siendo una cantidad significativa de HA no disociado. Los ácidos débiles se disocian en el agua como:

    La fuerza de un ácido débil se representa como ya sea una constante de equilibrio o como un porcentaje de disociación. Las concentraciones de equilibrio de reactivos y productos están relacionados por la expresión de la constante de disociación ácida,:

    Cuanto mayor sea el valor de Ka, el más la formación de H se ve favorecida, y la menor es el pH de la solución. El Ka de los ácidos débiles varía de 1,810 a 16, y 55.5 - Ácidos con un Ka menos de 1,810 a 16 son ácidos débiles que el agua.

    La otra manera de medir la fuerza del ácido es mirar a su porcentaje de disociación, que se simboliza como y que puede variar de 0%

    A diferencia de Ka, a no es constante y no depende de la extensión. En general a se aumentará a medida que disminuye. Por lo tanto los ácidos se hacen más fuertes a medida que se diluyen. Si los ácidos son poliprótico, a continuación, cada protón tendrá un Ka. Por ejemplo: H2CO3 H2O? HCO3- H3O tiene dos valores de Ka, ya que tiene dos protones ácidos. El primer valor de Ka es 4,4610-7 y el segundo es 4,6910 a 11.

    Cálculo del pH de una solución de ácido débil

    El pH de una solución de un ácido débil depende de la fuerza del ácido y los otros componentes de la solución. En el caso más sencillo, el ácido débil es el único compuesto en agua. En este caso, el pH se puede encontrar a partir de la concentración del ácido, de la del ácido, y mediante la resolución de la concentración de H . A continuación se muestra una tabla que organiza la información. En la primera línea, la reacción se escribe. En la segunda línea, las condiciones iniciales se escriben debajo de cada compuesto. Tenga en cuenta que un valor de agua no se da debido a que su término en la expresión es técnicamente igual a 1, pero a menudo se omite. La tercera línea muestra cómo el valor cambia a medida que la reacción va hacia el equilibrio. A continuación, la última línea da las concentraciones de equilibrio y es simplemente la suma de cada columna.

    La aplicación de la línea de equilibrio de los rendimientos de expresión

    reordenar los rendimientos, que se pueden resolver para x usando la ecuación de segundo grado. El pH se calcula entonces como.

     Simplificación

    Sin embargo, si F es más de 1000 mayor que Ka, a continuación, el ácido no desprotonar tanto, el valor de x será pequeño, y por lo tanto F - x F. Esto simplifica la expresión de Ka ...

    Despejando x rendimientos

    A continuación, el pH =-log. La siguiente ecuación se sigue, pero sólo es cierto si F >>> Ka

     Comparación de los métodos simplificados y completos

    Cierto ácido débil tiene una Ka = 110-5 y el pH de dos soluciones tiene que ser encontrado. Una solución tiene una concentración de 0,10 M y la otra tiene una concentración de 510-4M. El pH de las dos soluciones se calculará usando ambos métodos para producir 4 valores, que se compararán.

    0,1 M Solución

    El método completo da la siguiente cuadrática:

    lo que da x = 9,9510 a 4 M y un pH = 3,00. El método simplificado da

    Así que ambos métodos producen el mismo resultado, pero de nuevo F es más de 1000 mayor que Ka. El siguiente caso no tiene esta condición y los resultados serán diferentes.

    510-4M Solution

    El método completo da la siguiente cuadrática:

    que da x = 6,610 a 5 M y un pH = 4.18 - El método simplificado da

    Aquí, los resultados difieren por 0,03 unidades de pH. Como F se convierte en el valor más cerca a la Ka, entonces la diferencia se incrementará aún más. Sin embargo, en la práctica, es raro para trabajar con tales ácidos diluidos y el pH también depende de la fuerza iónica y la temperatura. Así que en realidad, el método simplificado funciona bien.

    Conjugar par ácido/base

    A menudo se afirma que "el conjugado de un ácido débil es una base fuerte". Esta declaración puede ser engañoso. Ácidos más débiles que los libros de texto tratan tienen bases conjugadas débiles. En verdad, sólo el más débil de los ácidos tienen fuertes bases conjugadas. Por ejemplo, si un ácido débil tiene una Ka = 10-5, a continuación, su base conjugada tendría un Kb = 10-9, que ciertamente no es una base fuerte. Un ácido muy débil con una Ka = 10-20 sería de hecho tener una base conjugada fuerte.

    Factores que determinan la fuerza del ácido

    Polaridad y el efecto inductivo

    La polaridad se refiere a la distribución de los electrones en un enlace, la región del espacio entre dos núcleos atómicos donde se comparte un par de electrones. Cuando dos átomos tienen más o menos la misma electronegatividad los electrones son compartidos de manera uniforme y pasar el mismo tiempo en cada extremo del enlace. Cuando hay una diferencia significativa en electronegatividades de dos átomos unidos, los electrones pasan más tiempo cerca del núcleo del elemento más electronegativo y un dipolo eléctrico, o separación de las cargas, se produce, de tal manera que existe una carga parcial negativa localizada en la electronegativo elemento y una carga parcial positiva sobre el elemento electropositivo. El hidrógeno es un elemento electropositivo y acumula una carga ligeramente positiva cuando está unido a un elemento electronegativo, tal como oxígeno o bromo. A medida que la densidad de electrones en hidrógeno disminuye se abstrae más fácilmente, en otras palabras, es más ácida. De izquierda a derecha en una fila en los elementos de la tabla periódica se hacen más electronegativo, y la fuerza del ácido binario formado por el elemento aumenta en consecuencia:

    El elemento electronegativo necesita no estar unido directamente al hidrógeno ácido para aumentar su acidez. Un átomo electronegativo puede tirar de densidad de electrones de un enlace ácida por efecto inductivo. La capacidad de retirada de electrones disminuye rápidamente como el átomo electronegativo se aleja de la unión ácida. El efecto se ilustra por la siguiente serie de ácidos butanoico halogenados. El cloro es más electronegativo que el bromo y por lo tanto tiene un efecto más fuerte. El átomo de hidrógeno unido al oxígeno es el hidrógeno ácido. Butanoico ácido es un ácido carboxílico.

    Como el átomo de cloro se mueve más lejos del enlace OH ácida, su efecto disminuye. Cuando el átomo de cloro es sólo un átomo de carbono eliminado del grupo de ácido carboxílico de la acidez del compuesto aumenta significativamente, en comparación con el ácido butanoico. Sin embargo, cuando el átomo de cloro se separa por varios bonos el efecto es mucho más pequeño. El bromo es mucho más electronegativo que el carbono o de hidrógeno, pero no tan electronegativo como el cloro, por lo que el pKa del ácido 2-bromobutanoico es ligeramente mayor que el pKa del ácido 2-clorobutanoico.

    El número de átomos electronegativos adyacentes un enlace ácido también afecta la fuerza del ácido. Oxoácidos HOX tienen la fórmula general en donde X puede ser cualquier átomo y pueden o no pueden compartir enlaces a otros átomos. Aumentar el número de átomos electronegativos o grupos en un átomo de X disminuye la densidad de electrones en el enlace ácida, por lo que la pérdida del protón más fácil. El ácido perclórico es un ácido muy fuerte y se disocia completamente en el agua. Su fórmula química es HClO4 y que comprende un átomo de cloro central con tres dobles enlaces cloro-oxígeno y un enlace sencillo cloro-oxígeno. El oxígeno unido por separado lleva un átomo de hidrógeno extremadamente ácido que se abstrae fácilmente. En cambio, el ácido clorhídrico es un ácido más débil, aunque todavía bastante fuerte, mientras que el ácido cloroso y ácido hipocloroso ácidos son ácidos débiles.

    Los ácidos carboxílicos son ácidos orgánicos que contienen un grupo hidroxilo ácido y un carbonilo. Los ácidos carboxílicos se pueden reducir al correspondiente alcohol; la sustitución de un átomo de oxígeno electronegativo con dos hidrógenos electropositivos proporciona un producto que es esencialmente no ácido. La reducción de ácido acético a etanol utilizando LiAlH4 y éter es un ejemplo de tal reacción.

    El pKa para el etanol es de 16, en comparación con 4,76 para el ácido acético.

    Radio atómico y la resistencia de la unión

    Otro factor que contribuye a la capacidad de un ácido a perder un protón es la resistencia de la unión entre el hidrógeno ácido y el átomo que lleva. Esto, a su vez, depende del tamaño de los átomos que comparten el enlace. Para un ácido HA, como el tamaño de átomo A se incrementa, la fuerza de los bonos disminuye, lo que significa que se rompe con más facilidad, y la fuerza de los aumentos de ácido. La fuerza de unión es una medida de la cantidad de energía que se necesita para romper un enlace. En otras palabras, se necesita menos energía para romper el enlace como átomo A se hace más grande, y el protón se elimina más fácilmente por una base. Esto explica en parte por qué el ácido fluorhídrico es considerado un ácido débil, mientras que los otros ácidos hidrácidos son ácidos fuertes. Aunque el flúor es más electronegativo que los otros halógenos, su radio atómico también es mucho más pequeño, por lo que comparte un enlace más fuerte con hidrógeno. Mover hacia abajo una columna en los átomos de la tabla periódica se vuelven menos electronegativo, sino también significativamente más grande, y el tamaño del átomo tiende a dominar su acidez cuando comparten un enlace con hidrógeno. El sulfuro de hidrógeno, H2S, es un ácido más fuerte que el agua, a pesar de que el oxígeno es más electronegativo que el azufre. Al igual que con los halógenos, esto es porque el azufre es más grande que el oxígeno y el enlace SA se rompe más fácilmente que el enlace HO.

    Corrosividad

    Mientras que los ácidos fuertes generalmente supone que son los más corrosivos, esto no siempre es cierto. El carborano superácido H, que es un millón de veces más fuerte que el ácido sulfúrico, es totalmente resistente a la corrosión, mientras que los débiles ácido fluorhídrico ácido es corrosivo y puede disolver, entre otras cosas, de vidrio y la mayoría de los metales.