HomeplMocne kwasy, superkwasy i najmocniejszy kwas na świecie

Mocne kwasy, superkwasy i najmocniejszy kwas na świecie

Kwasy są znacznie bardziej powszechnymi substancjami, niż wielu ludzi zdaje sobie z tego sprawę. Są obecne w najróżniejszych miejscach, od jedzenia, które jemy, płynów, które pijemy, baterii zasilających nasze urządzenia i nie tylko. Oprócz tego, że są wszechobecne, kwasy są również bardzo zróżnicowane, jeśli chodzi o ich właściwości, z których najważniejszym jest, nawiasem mówiąc, właśnie ich kwasowość. W kolejnych podrozdziałach dokonamy przeglądu pojęcia kwasu z różnych punktów widzenia, zdefiniujemy, czym są mocne kwasy, a także zobaczymy przykłady najsilniejszych kwasów znanych nauce.

Co to jest kwas?

Istnieje kilka różnych koncepcji kwasów i zasad. Według zarówno Arrheniusa, jak i Bromsteda i Lowry’ego, kwas to dowolna substancja chemiczna, która ma zdolność uwalniania protonów (jonów H + ) w roztworze. Chociaż ta koncepcja jest odpowiednia dla zdecydowanej większości związków, które uważamy za kwasy, jest ona nieodpowiednia dla innych substancji, które zachowują się jak kwasy i wytwarzają roztwory o kwaśnym pH, ale które mimo to nie zawierają nawet kationów wodoru w nich jego struktura.

W związku z powyższym najszerszą i najbardziej akceptowaną koncepcją kwasu jest koncepcja kwasów Lewisa, zgodnie z którą kwasem jest dowolna substancja chemiczna pozbawiona elektronów (na ogół o niepełnym oktecie), zdolna do przyjęcia pary elektronów na część base , tworząc w ten sposób celownik lub współrzędne wiązanie kowalencyjne. Ta koncepcja jest znacznie bardziej ogólna niż inne, ponieważ pozwala nam rozszerzyć koncepcję kwasów i zasad poza roztwory wodne, do których jesteśmy przyzwyczajeni.

Jak mierzy się kwasowość?

Jeśli chcemy mówić o mocnych i słabych kwasach, musimy mieć sposób na zmierzenie względnej mocy kwasów, to znaczy musimy być w stanie zmierzyć ich kwasowość, aby móc je porównać. W roztworach wodnych kwasowość mierzy się pod względem zdolności do generowania jonów hydroniowych w roztworze, albo poprzez bezpośrednie przekazanie protonów cząsteczkom wody:

Mocne kwasy, superkwasy i najmocniejszy kwas na świecie

lub przez koordynację cząsteczek wody, które powodują utratę protonu na rzecz drugiej cząsteczki wody:

Mocne kwasy, superkwasy i najmocniejszy kwas na świecie

W obu przypadkach są to reakcje odwracalne, które są związane ze stałą równowagi jonowej, zwaną stałą dysocjacji kwasu lub stałą kwasowości ( K a ). Wartość tej stałej lub jej ujemny logarytm, zwany pKa , jest często używany jako miara kwasowości kwasu. W tym sensie im wyższa wartość stałej kwasowości (lub im niższa wartość jej pKa ) , tym silniejszy będzie kwas i odwrotnie.

Innym sposobem pomiaru stopnia kwasowości, który jest podobny, choć nieco bardziej bezpośredni, jest eksperymentalny pomiar pH roztworów różnych kwasów, ale o tym samym stężeniu molowym. Im niższe pH, tym bardziej kwaśna substancja.

Kwasowość superkwasów

Chociaż powyższe sposoby pomiaru kwasowości są odpowiednie dla kwasów w roztworach wodnych, nie są one przydatne w przypadkach, gdy kwasy są rozpuszczone w innych rozpuszczalnikach (zwłaszcza rozpuszczalnikach aprotonowych lub niewodorowych) lub w wielu, z wyjątkiem czystych kwasów. Ponadto woda i inne rozpuszczalniki mają tak zwany efekt wyrównujący kwas, który powoduje, że wszystkie kwasy po pewnym poziomie kwasowości zachowują się w ten sam sposób w roztworze.

Aby przezwyciężyć tę trudność polegającą na tym, że wszystkie mocne kwasy w roztworze wodnym mają taką samą kwasowość, opracowano inne sposoby pomiaru kwasowości. Łącznie nazywane są one funkcjami kwasowości, z których najpowszechniejszą jest funkcja kwasowości Hammetta lub H 0 . Ta funkcja jest podobna w koncepcji do pH i reprezentuje zdolność kwasu Bromsteda do protonowania bardzo słabej ogólnej zasady, takiej jak 2,4,6-trinitroanilina, i jest dana wzorem:

Funkcja kwasowości Hammetta

W tym przypadku pK HB+ jest ujemnym logarytmem stałej kwasowości sprzężonego kwasu ze słabą zasadą po rozpuszczeniu w czystym kwasie, [B] jest stężeniem molowym nieprotonowanej zasady, a [HB + ] jest stężeniem jego sprzężony kwas. Im niższa H 0 , tym wyższa kwasowość. Dla porównania, kwas siarkowy ma wartość funkcji Hammetta -12.

mocne kwasy i słabe kwasy

Za mocne kwasy uważa się wszystkie te, które całkowicie dysocjują w roztworze wodnym. Innymi słowy, są to te, dla których dysocjacja w wodzie jest procesem nieodwracalnym. Z drugiej strony słabe kwasy to takie, które nie dysocjują całkowicie w wodzie, ponieważ ich dysocjacja jest odwracalna i mają stosunkowo niską stałą kwasowości.

Superkwasy

Oprócz mocnych kwasów istnieją również superkwasy. Są to wszystkie te kwasy, które są silniejsze niż czysty kwas siarkowy. Kwasy te są tak silne, że są w stanie protonować nawet substancje, które normalnie uważamy za neutralne, a nawet mogą protonować inne mocne kwasy.

Lista typowych mocnych kwasów

Najpopularniejsze mocne kwasy to:

  • Kwas siarkowy (H 2 SO 4 , tylko pierwsza dysocjacja)
  • Kwas azotowy (HNO 3 )
  • Kwas nadchlorowy (HClO 4 )
  • Kwas solny (HCl)
  • Kwas jodowodorowy (HI)
  • Kwas bromowodorowy (HBr)
  • Kwas trifluorooctowy (CF 3 COOH)

Istnieje kilka dodatkowych przykładów mocnych kwasów, ale większość kwasów jest słabych.

Kwas fluoroantymonowy: najsilniejszy kwas na świecie

Najsilniejszym znanym kwasem jest superkwas zwany kwasem fluoroantymonowym o wzorze HSbF 6 . Otrzymuje się go w reakcji pentafluorku antymonu (SbF 5 ) z fluorowodorem (HF).

Kwas fluoroantymonowy, najsilniejszy kwas na świecie.

W wyniku tej reakcji powstaje heksakoordynowany jon [SbF 6 – ], który jest niezwykle stabilny dzięki wielokrotnym strukturom rezonansowym, które rozkładają i stabilizują ładunek ujemny na 6 atomach fluoru, który jest najbardziej elektroujemnym pierwiastkiem w układzie okresowym.

Jeśli chodzi o kwasowość, kwas ten ma wartość funkcji kwasowości Hammetta między –21 a –24, co oznacza, że ​​kwas ten jest od 10 9 do 10 12 razy bardziej kwaśny niż czysty kwas siarkowy (pamiętaj, że funkcja kwasowości Hammetta jest funkcją logarytmiczną, więc każda zmiana o jedną jednostkę pociąga za sobą zmianę o jeden rząd wielkości).

Lista innych superkwasów

  • Kwas trifluorometanosulfonowy lub kwas trifluorometanosulfonowy (CF 3 SO 3 H)
  • Kwas fluorosulfonowy (FSO 3 H)
  • Magiczny kwas (SbF5)-FSO 3 H

Bibliografia

Superkwasy Brønsteda-Lowry’ego i funkcja kwasowości Hammetta. (2021, 4 października). https://chem.libretexts.org/@go/page/154234

Chang, R. (2021). Chemia ( wyd. 11 ). EDUKACJA MCGRAW HILL.

Farrell, I. (2021, 21 października). Jaki jest najsilniejszy kwas na świecie? Edukacja CSR. https://edu.rsc.org/everyday-chemistry/whats-the-strongest-acid-in-the-world/4014526.article

Ganninger, D. (2020, 26 października). Najsilniejszy kwas na świecie – gulasz wiedzy . Średni. https://medium.com/knowledge-stew/the-strongest-acid-in-the-world-eb7700770b78#:%7E:text=Fluoroantimonic%20acid%20is%20the%20najsilniejszy,a%20host%20of%20other% 20substancje

Nauka. (2016, 19 grudnia). Najsilniejsze kwasy na świecie [wideo]. Youtube. https://www.youtube.com/watch?v=cbN37yRV-ZY