Säuren und Basen

Faktoren, die die relativen Stärken von Säuren und Basen steuern

Die Polarität der XH-Bindung

Wenn alle anderen Faktoren konstant gehalten werden, werden Säuren stärker, wenn die XH-Bindung polarer wird. Die Nichtmetallhydride der zweiten Reihe zum Beispiel werden saurer, wenn der Unterschied zwischen der Elektronegativität der X- und H-Atome zunimmt. HF ist die stärkste dieser vier Säuren, und CH4 ist eine der schwächsten bekannten Brnsted-Säuren.

HF Ka = 7.2 x 10-4 EN = 1.8
H2O Ka = 1.8 x 10-16 EN = 1.2
NH3 Ka = 1 x 10-33 EN = 0.8
CH4 Ka = 1 x 10-49 EN = 0.4

Wenn diese Verbindungen als Säure wirken, wird eine H-X-Bindung unter Bildung von H+ und X- Ionen gebrochen. Je polarer diese Bindung ist, desto leichter ist die Bildung dieser Ionen. Je polarer die Bindung ist, desto stärker ist die Säure.

Eine 0,1 M HF-Lösung ist mäßig sauer. Wasser ist viel weniger sauer, und der Säuregehalt von Ammoniak ist so gering, dass die Chemie wässriger Lösungen dieser Verbindung durch ihre Fähigkeit, als Base zu wirken, dominiert wird.

HF pH = 2.1
H2O pH = 7
NH3 pH = 11.1

Die Größe des X-Atoms

Auf den ersten Blick könnte man erwarten, dass HF, HCl, HBr und HI auf dem Weg nach unten in dieser Spalte des Periodensystems zu schwächeren Säuren werden, weil die X-H-Bindung weniger polar wird.Experimentell lässt sich der entgegengesetzte Trend feststellen. Diese Säuren werden tatsächlich stärker, je weiter wir in dieser Spalte nach unten gehen.

Das liegt daran, dass die Größe des X-Atoms den Säuregrad der X-H-Bindung beeinflusst. Die Säuren werden stärker, wenn die X-H-Bindung schwächer wird, und die Bindungen werden im Allgemeinen schwächer, wenn die Atome größer werden, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.

Die Ka-Daten für HF, HCl, HBr und HI spiegeln die Tatsache wider, dass die X-H-Bindungsdissoziationsenthalpie (BDE) kleiner wird, wenn das X-Atom größer wird.

HF Ka = 7.2 x 10-4 BDE = 569 kJ/mol
HCl Ka = 1 x 106 BDE = 431 kJ/mol
HBr Ka = 1 x 109 BDE = 370 kJ/mol
HI Ka = 3 x 109 BDE = 300 kJ/mol

Die Ladung der Säure oder Base

Die Ladung eines Moleküls oder Ions kann seine Fähigkeit beeinflussen, als Säure oder Base zu wirken. Dies wird deutlich, wenn man den pH-Wert von 0,1 M Lösungen von H3PO4 und den H2PO4-, HPO42- und PO43-Ionen vergleicht.

pH = 1.5

pH = 9.3

H3PO4
H2PO4- pH = 4.4
HPO42-
PO43- pH = 12,0

Verbindungen werden mit zunehmender negativer Ladung weniger sauer und mehr basisch.

Säure: H3PO4 > H2PO4-> HPO42-

Basizität: H2PO4-< HPO42- < PO43-

Der Oxidationszustand des Zentralatoms

Es gibt keinen Unterschied in der Polarität, der Größe oder der Ladung, wenn wir Oxysäuren desselben Elements, wie H2SO4 und H2SO3 oder HNO3 und HNO2, vergleichen, aber es gibt einen erheblichen Unterschied in der Stärke dieser Säuren. Betrachten wir zum Beispiel die folgenden Ka-Daten:

H2SO4: Ka = 1 x 103 HNO3: Ka = 28
H2SO3: Ka = 1,7 x 10-2 HNO2: Ka = 5,1 x 10-4

Die Säurestärke dieser Oxycarbonsäuren nimmt deutlich zu, wenn der Oxidationszustand des Zentralatoms größer wird. H2SO4 ist eine viel stärkere Säure als H2SO3, und HNO3 ist eine viel stärkere Säure als HNO2. Dieser Trend ist bei den vier Chlorsäuren am leichtesten zu erkennen.

Oxysäure Ka Oxidation
Anzahl
des Chlors
HOCl 2.9 x 10-8 +1
HOClO 1.1 x 10-2 +3
HOClO2 5.0 x 102 +5
HOClO3 1 x 103 +7

Dieser Faktor von 1011 im Wert von Ka für unterchlorige Säure (HOCl) und Perchlorsäure (HOClO3) kann darauf zurückgeführt werden, dass es nur einen Wert für die Elektronegativität eines Elements gibt, Die Tendenz eines Atoms, Elektronen an sich zu ziehen, steigt jedoch mit zunehmender Oxidationszahl des Atoms.

Wenn die Oxidationszahl des Chloratoms zunimmt, wird das Atom elektronegativer. Dadurch werden den Sauerstoffatomen, die das Chloratom umgeben, Elektronen entzogen, wodurch die Sauerstoffatome ebenfalls elektronegativer werden, wie in der Abbildung unten dargestellt. Infolgedessen wird die O-H-Bindung polarer und die Verbindung wird saurer.


Praxisaufgabe 6:

Bestimmen Sie für jedes der folgenden Paare, welche Verbindung die stärkere Säure ist.

(a) H2O oder NH3

(b) NH4+ oder NH3

(c) NH3 oder PH3

(d) H3PO4 oder H3PO3

Klicken Sie hier, um Ihre Antwort auf Übungsaufgabe 6 zu überprüfen

Die relativen Stärken der Brnsted-Basen lassen sich aus den relativen Stärken ihrer konjugierten Säuren in Verbindung mit der allgemeinen Regel vorhersagen, dass die stärkere eines Paares von Säuren immer die schwächere konjugierte Base hat.


Praxisaufgabe 7:

Bestimmen Sie für jedes der folgenden Paare von Verbindungen, welche Verbindung die stärkere Base ist.

(a) OH- oder NH2-

(a) OH- oder NH2-

(c) NH2- oder PH2-

(d) NO3- oder NO2-

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