Факторы силы кислоты: атом, резонанс, индукция, орбиталь
Атом: электроотрицательность и размер
linkОпора
- Урок 23. Сила кислоты и pKa — сравнивать силу кислот и оснований по шкале pKa
- Урок 8. Полярность связей и дипольный момент — расставлять частичные заряды и решать, полярна ли молекула
- Урок 5. Гибридизация: sp³, sp², sp — определять гибридизацию атома и число σ- и π-связей
Уроки 23–24 брали \(pK_a\) из таблицы. Но таблица не охватит всех веществ, и химику важнее понимать, откуда берутся сами числа. Сила кислоты H–A зависит от того, насколько хорошо атом A удерживает отрицательный заряд сопряжённого основания: чем устойчивее анион, тем охотнее кислота отдаёт протон. Устойчивость аниона оценивают по четырём факторам, и первым смотрят на сам атом.
Как сравнить кислоты по атому, несущему заряд
- Атомы в одном периоде — сильнее кислота с более электроотрицательным атомом (урок 8): \(\ce{CH4} < \ce{NH3} < \ce{H2O} < \ce{HF}\).
- Атомы в одной группе — сильнее кислота с более крупным атомом: заряд распределён по большему объёму.
- В группе размер важнее электроотрицательности.
Примеры
1. Второй период. \(\ce{CH4}\) (50) < \(\ce{NH3}\) (38) < \(\ce{H2O}\) (15,7) < \(\ce{HF}\) (3,2).
2. Галогеноводороды. \(\ce{HF}\) (3,2) < \(\ce{HCl}\) (−7) < \(\ce{HBr}\) (−9) < \(\ce{HI}\) (−10): фтор самый электроотрицательный, но \(\ce{F-}\) маленький, и заряд на нём сосредоточен.
3. Вода и сероводород. \(\ce{H2O}\) (15,7) слабее \(\ce{H2S}\) (7,0): сера крупнее кислорода, заряд \(\ce{HS-}\) распределён по большему объёму.
4. Метанол и метиламин. Кислород электроотрицательнее азота: \(\ce{CH3OH}\) (15,5) — кислота гораздо сильнее \(\ce{CH3NH2}\) (около 40).
errorHF — слабая кислота
Фтор — самый электроотрицательный элемент, но HF — слабая кислота. В группе решает размер атома, а не электроотрицательность.
edit_noteПопробуйте сами
Какая кислота сильнее: HCl или HBr? \(\ce{NH3}\) или \(\ce{H2O}\)?
expand_moreПоказать решение
HBr — бром крупнее хлора (одна группа). Вода — кислород электроотрицательнее азота (один период).
Резонанс, индукция, орбиталь и порядок факторов
Если атом с зарядом одинаков и первая часть урока не помогает, сравнивают, как этот заряд стабилизирован, — и тут работают резонанс (тема 2) и гибридизация (урок 5).
Как сравнить две кислоты (ARIO)
- A — атом, на котором заряд в сопряжённом основании. Разные атомы — обычно решает это.
- R — резонанс. Заряд делокализован — основание устойчивее, кислота сильнее.
- I — индукция. Электроотрицательные атомы рядом оттягивают заряд — кислота сильнее.
- O — орбиталь. Пара в \(sp\)-орбитали ближе к ядру, чем в \(sp^2\) и \(sp^3\): \(sp\) > \(sp^2\) > \(sp^3\).
Примеры
1. R: \(\ce{C2H5OH}\) и \(\ce{CH3COOH}\). Заряд ацетат-иона на двух кислородах, этоксид-иона — на одном: 4,8 против 16.
2. I: этанол и 2,2,2-трифторэтанол \(\ce{CF3CH2OH}\). Три атома фтора оттягивают заряд: 16 против 12,4.
3. O: \(\ce{C2H6}\), \(\ce{C2H4}\), \(\ce{C2H2}\). 50, 44 и 25: доля \(s\)-орбитали растёт.
4. R: фенол \(\ce{C6H5OH}\) и циклогексанол. Заряд фенолята делокализован по кольцу: 10 против 18.
errorПорядок ARIO — ориентир, а не закон
Ацетилен (25) кислее аммиака (38), хотя азот электроотрицательнее углерода: пара ацетиленид-иона в \(sp\)-орбитали, а амид-иона — в \(sp^3\). Сомневаетесь — смотрите таблицу \(pK_a\).
edit_noteПопробуйте сами
Что кислее: пропан-1-ол или 3,3,3-трифторпропан-1-ол?
expand_moreПоказать решение
Трифторпропанол: атомы фтора оттягивают электронную плотность (индукция), хотя и через три связи.
push_pinГлавное
Кислота тем сильнее, чем устойчивее её сопряжённое основание. Проверяйте четыре фактора по порядку: атом с зарядом (в периоде — электроотрицательность, в группе — размер: \(\ce{HF} < \ce{HCl} < \ce{HBr} < \ce{HI}\)), резонанс (делокализация заряда), индукция (электроотрицательные группы рядом), орбиталь (\(sp\) > \(sp^2\) > \(sp^3\)). Порядок — ориентир: ацетилен кислее аммиака, потому что пара в \(sp\)-орбитали держится ближе к ядру.
Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.