HAPOT: OMINAISUUDET JA ESIMERKIT - KEMIA - 2025

Hapot ovat yhdisteitä, joilla on suuri taipumus protonia luovuttavien tai hyväksymisestä elektroniparin. Happojen ominaisuuksille on olemassa monia määritelmiä (Bronsted, Arrhenius, Lewis), ja kutakin niistä on täydennetty rakentamaan kokonaisvaltainen kuva tämän tyyppisistä yhdisteistä.

Edellä esitetystä näkökulmasta kaikki tunnetut aineet voivat olla happamia, mutta sellaisina pidetään vain sellaisia, jotka erottuvat huomattavasti muiden yläpuolelle. Toisin sanoen: jos aine on erittäin heikko protonien luovuttaja, esimerkiksi veteen verrattuna, voidaan sanoa, että se ei ole happo.

Etikkahappo, heikko happo, luovuttaa protonin (vetyioni, korostettuna vihreällä) vedelle tasapainoreaktiossa, jolloin saadaan asetaatti-ioni ja hydroniumioni. Punainen: happi. Musta: hiili. Valkoinen: vety.

Mitä tällöin ovat hapot ja niiden luonnolliset lähteet? Tyypillinen esimerkki niistä löytyy monien hedelmien sisällä, kuten sitrushedelmien. Limonadilla on ominainen maku sitruunahapon ja muiden komponenttien vuoksi.

Kieli voi havaita happojen esiintymisen, samoin kuin muut maut. Näiden yhdisteiden happamuusasteesta riippuen mausta tulee sietämätöntä. Tällä tavalla, kielen toimii aistinvaraisten mittari pitoisuus happojen, erityisesti pitoisuus hydroniumioniin (H ₃ O ⁺).

Toisaalta hapot eivät ole vain ruoassa, vaan myös elävissä organismeissa. Samoin maaperässä on aineita, jotka voivat luonnehtia niitä happamiksi; näin on alumiinin ja muiden metallikationien tapauksessa.

Happojen ominaisuudet

Mitä ominaisuuksia yhdisteellä on oltava olemassa olevien määritelmien mukaan happamaksi pidettäväksi?

Sen on kyettävä tuottamaan H ^{+ -} ja OH ^- ioneja liuottamalla veteen (Arrhenius), sen on luovutettava protoneja muille lajeille erittäin helposti (Bronsted) tai lopulta sen on kyettävä hyväksymään pari elektronia, kun varaus on negatiivinen (Lewis).

Nämä ominaisuudet liittyvät kuitenkin läheisesti kemialliseen rakenteeseen. Siksi oppimalla analysoimaan sen happamuuden tai parin yhdisteen vahvuus voidaan päätellä, kumpi näistä on happamin.

- Fyysiset ominaisuudet

Hapoilla on aromi, redundanssin arvoinen, happo, ja niiden haju polttaa usein sieraimia. Ne ovat nesteitä, joilla on tahmea tai öljyinen rakenne ja joilla on kyky muuttaa lakmuspaperin ja metyylioranssin väri punaiseksi (Properties of Acids and Bases, SF).

- Kyky tuottaa protoneja

Tanskalainen kemisti Johannes Nicolaus Brønsted ja englantilainen kemisti Thomas Martin Lowry esittelivät vuonna 1923 Brønstedin ja Lowryn teorian, jonka mukaan jokainen yhdiste, joka voi siirtää protonin toiseen yhdisteeseen, on happo (Encyclopædia Britannica, 1998). Esimerkiksi suolahapon tapauksessa:

HCl → H ⁺ + Cl ^-

Brønstedin ja Lowryn teoria ei selittänyt tiettyjen aineiden hapanta käyttäytymistä. Vuonna 1923 amerikkalainen kemisti Gilbert N. Lewis esitteli teoriansa, jossa hapoksi pidetään mitä tahansa yhdistettä, joka kykenee kemiallisessa reaktiossa liittymään elektronipariin, jota ei ole jaettu toiseen molekyyliin (Encyclopædia Britannica, 1998)..

Tällä tavalla ionilla, kuten Cu ²⁺, Fe ²⁺ ja Fe ^3+, on kyky sitoutua vapaiden elektronien pareihin, esimerkiksi vedestä, protonien tuottamiseksi seuraavalla tavalla:

Cu ²⁺ + 2H ₂ O → Cu (OH) ₂ + 2H ⁺

- Heillä on vetyjä, joiden elektronitiheys on heikko

Ja metaani molekyyli, CH ₄, mikään sen vedyistä on sähköisesti puutteellinen. Tämä johtuu siitä, että hiilen ja vedyn elektronegatiivisuuksien ero on hyvin pieni. Mutta jos vaihdat joko H- atomien yhdellä fluoria, niin ei olisi oltava huomattava muutos Dipolimomentin: H ₂ FC- H.

H kokee elektronipilvensä siirtymisen kohti F: ään sidottua viereistä atomia, mikä on sama, δ + kasvaa. Jälleen, jos toinen H on korvattu toisella F, sitten molekyylin tulee: HF ₂ C- H.

Nyt δ + on vielä suurempi, koska kaksi F-atomia, erittäin elektronisesti negatiivinen elektronitiheys, joka poistaa C: n, ja tämä jälkimmäisen seurauksena H: lle. Jos vaihtoprosessia jatketaan lopulta: F ₃ C- H.

Tässä viimeisessä molekyylissä H on kolmen vierekkäisen F-atomin seurauksena merkittävä elektroninen puute. Tämä δ + ei jää huomaamatta millään lajeilla, jotka ovat tarpeeksi elektronirikkaita poistamaan tämän H: n ja tällä tavoin F ₃ CH: n negatiiviseksi varautuneeksi:

F ₃ C – H +: N ^- (negatiiviset lajit) => F ₃ C: ^- + H N

Edellä reaktioyhtälö voidaan myös pitää tällä tavalla: F ₃ CH luovuttaa protonin (H ⁺, H kerran irrottaa molekyyli) on: N; tai, F ₃ CH voitot elektronipari H kun toinen pari on lahjoittanut viimeksi mainittua: N ^-.

- Vahvuus- tai happamuusvakio

Kuinka paljon F ₃ C: ^- on läsnä liuoksessa? Tai, kuinka monta molekyylit F ₃ CH voi luovuttaa hapan vety N? Vastata näihin kysymyksiin, on välttämätöntä määrittää pitoisuus F ₃ C: ^- tai H N ja, käyttäen matemaattista yhtälöä, vahvistaa numeerinen arvo nimeltään happamuus vakio, Ka.

Mitä enemmän molekyylejä F ₃ C: ^- tai HN valmistettu, sitä enemmän hapan F ₃ CH on ja sitä suurempi on sen Ka. Tällä tavalla Ka auttaa selventämään kvantitatiivisesti, mitkä yhdisteet ovat happamampia kuin muut; ja samoin se hylkää hapoina ne, joiden Ka-luokka on erittäin pieni.

Joillakin Ka-arvoilla voi olla arvoja, jotka ovat noin 10 ^-1 ja 10 ^-5, ja toisilla, arvot ovat miljoonasosia pienempiä, kuten ^10-15 ja ^10-35. Sitten voidaan sanoa, että jälkimmäisillä, joilla on mainitut happamuusvakiot, ovat erittäin heikot hapot ja ne voidaan sellaisenaan heittää pois.

Niin mikä seuraavista molekyylien on korkein Ka: CH ₄, CH ₃ F, CH ₂ F _2, tai CHF ₃ ? Vastaus on elektronien tiheyden, δ +, puute niiden vedyissä.

Mitat

Mutta mitkä ovat kriteerit Ka-mittausten standardoimiseksi? Sen arvo voi vaihdella huomattavasti riippuen siitä, mitkä lajit saavat H ^{+: n}. Esimerkiksi, jos: N on vahva emäs, Ka on suuri; mutta jos päinvastoin, se on erittäin heikko perusta, Ka on pieni.

Ka-mittaukset tehdään käyttämällä yleisintä ja heikointa kaikista emäksistä (ja hapoista): vettä. Riippuen luovutuksen H ⁺: n H ₂ O -molekyylejä, on 25 ° C: ssa ja yhden ilmakehän paineessa, standardi-olosuhteet on luotu määrittää happamuus vakioita kaikille yhdisteille.

Tästä syntyy monien yhdisteiden, sekä epäorgaanisten että orgaanisten, happamuusvakiotaulukoiden taulukko.

- Sillä on erittäin vakaita konjugaattiemäksiä

Happojen kemiallisessa rakenteessa on voimakkaasti elektronegatiivisia atomeja tai yksiköitä (aromaattisia renkaita), jotka houkuttelevat ympäröivien vetyjen elektronitiheyksiä, aiheuttaen siten niiden muuttuvan osittain positiivisiksi ja reaktiivisiksi emäkseen.

Kun protonit luovuttavat, happo muuttuu konjugaattiemäkseksi; eli negatiivinen laji, joka kykenee hyväksymään H ^{+: n} tai luovuttamaan elektroniparin. Esimerkissä CF ₃ H molekyyli sen konjugaattiemäs on CF ₃ ^-:

CF ₃ ^- + HN <=> CHF ₃ +: n ^-

Jos CF ₃ ^- on erittäin vakaa konjugoitu emäs, tasapaino on siirtynyt enemmän vasemmalle kuin oikealle. Lisäksi mitä vakaampi se on, sitä reaktiivisempi ja happamempi happo tulee.

Kuinka tiedät kuinka vakaat ne ovat? Kaikki riippuu siitä, kuinka he käsittelevät uutta negatiivista varausta. Jos ne pystyvät siirtämään tai levittämään kasvavan elektronitiheyden tehokkaasti, sitä ei ole saatavana käytettäväksi sitoutumiseen emäksen H kanssa.

- Heillä voi olla positiivisia syytöksiä

Kaikissa hapoissa ei ole elektronivajaita vetyjä, mutta niissä voi olla myös muita atomeja, jotka kykenevät vastaanottamaan elektroneja, positiivisella varauksella tai ilman.

Miten tämä? Esimerkiksi booritrifluoridi, BF ₃, B-atomi puuttuu oktetti valenssi, jotta se voi sitoutua minkä tahansa atomin, joka antaa sille elektronipari. Jos anioni F ^- pyöreä sen läheisyydessä tapahtuu seuraavan kemiallisen reaktion:

BF ₃ + F ^- => BF ₄ ^-

Toisaalta vapaita metallikationeja, kuten Al ³⁺, Zn ²⁺, Na ⁺ jne., Pidetään hapoina, koska ne voivat hyväksyä elektronirikkaiden lajien aktiiviset (koordinaatiosidokset) ympäristöstään. Samoin, ne reagoivat OH ^- ionien ja sakka metallihydroksideina:

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

Kaikki nämä tunnetaan Lewis-hapoina, kun taas protoneja luovuttavat ovat Bronsted-hapot.

- Niiden liuosten pH-arvot ovat alle 7

Kuvio: pH-asteikko.

Tarkemmin sanottuna, kun happo liukenee mihin tahansa liuottimeen (joka ei neutraloi sitä huomattavasti), se tuottaa liuoksia, joiden pH on alle 3, vaikka alle 7 niitä pidetään erittäin heikoina hapoina.

Tämä voidaan varmistaa käyttämällä happamäkeindikaattoria, kuten fenoliftaleiinia, yleisindikaattoria tai purppurakaali-mehua. Niitä yhdisteitä, jotka muuttavat värit matalan pH-arvon mukaisiksi, käsitellään hapoina. Tämä on yksi yksinkertaisimmista testeistä niiden esiintymisen määrittämiseksi.

Sama voidaan tehdä esimerkiksi erilaisista maan näytteistä eri puolilta maailmaa, määrittämällä siten niiden pH-arvot, jotta ne karakterisoidaan yhdessä muiden muuttujien kanssa.

Ja lopuksi, kaikilla hapoilla on hapan maku, kunhan ne eivät ole niin tiivistettyjä, että palavat kielen kudokset peruuttamattomasti.

- Kyky neutraloida emäkset

Arrhenius ehdottaa teoriassaan, että hapot pystyvät tuottamaan protoneja reagoimaan emästen hydroksyylin kanssa muodostaen suolaa ja vettä seuraavalla tavalla:

HCI + NaOH → NaCI + H ₂: lla

Tätä reaktiota kutsutaan neutraloimiseksi ja se on analyyttisen tekniikan, jota kutsutaan titraamiseksi, perusta (Bruce Mahan, 1990).

Vahvat hapot ja heikot hapot

Hapot luokitellaan vahvoiksi ja heikoiksi hapoiksi. Hapon vahvuus liittyy sen tasapainovakioon, joten happojen tapauksessa näitä vakioita kutsutaan happovakioiksi Ka.

Siten vahvoilla hapoilla on suuri happ vakio, joten niillä on taipumus dissosioitua kokonaan. Esimerkkejä näistä hapoista ovat rikkihappo, suolahappo ja typpihappo, joiden happovakiot ovat niin suuret, että niitä ei voida mitata vedessä.

Toisaalta heikko happo on sellainen, jonka dissosiaatiovakio on pieni, joten se on kemiallisessa tasapainossa. Esimerkkejä näistä hapoista ovat etikkahappo ja maitohappo ja typpihappo, joiden happamuuttamisvakiot ovat luokkaa ^10-4. Kuvio 1 näyttää erilaiset happamuusvakiot erilaisille hapoille.

Kuvio 1: hapon dissosiaatiovakiot.

Esimerkkejä hapoista

Vetyhalogenidit

Kaikki vetyhalogenidit ovat happamia yhdisteitä, erityisesti veteen liuenneina:

-HF (fluorivetyhappo).

-HCl (kloorivetyhappo).

-HBr (bromivetyhappo).

-HI (jodihappo).

Oxoacids

Oksohapot ovat oksoanionien protonoituja muotoja:

HNO ₃ (typpihappo).

H ₂ SO ₄ (rikkihappo).

H ₃ PO ₄ (fosforihappo).

HClO ₄ (perkloorihappoa).

Super hapot

Superhapot ovat vahvan Bronsted-hapon ja vahvan Lewis-hapon seosta. Sekoitettuna ne muodostavat monimutkaisia ​​rakenteita, joissa tiettyjen tutkimusten mukaan H ⁺ "hyppää" niiden sisällä.

Niiden syövyttävä teho on sellainen, että ne ovat miljardeja kertoja vahvempi kuin väkevää H ₂ SO ₄. Niitä käytetään murtamaan raakaöljyssä läsnä olevat suuret molekyylit pienempiin, haarautuneisiin molekyyleihin, joilla on suuri taloudellinen lisäarvo.

-BF ₃ / HF

-SbF ₅ / HF

-SbF ₅ / HSO ₃ F

-CF ₃ SO ₃ H

Orgaaniset hapot

Orgaanisille hapoille on tunnusomaista, että niissä on yksi tai useampi karboksyyliryhmä (COOH), ja niiden joukossa ovat:

-Sitruunahappo (läsnä monissa hedelmissä)

Omenahappo (vihreistä omenoista)

-Etikkahappo (kaupallisesta etikasta)

-Voihappo (räätälöitystä voista)

-Taariinihappo (viineistä)

-Ja rasvahappojen perhe.

Viitteet

1. Torrens H. Kovat ja pehmeät hapot ja emäkset.. Otettu: depa.fquim.unam.mx
2. Helmenstine, tohtori Anne Marie (3. toukokuuta 2018). 10 yleisen hapon nimet. Palautettu osoitteesta: gondo.com
3. Chempages Netorials. Hapot ja emäkset: Molekyylirakenne ja käyttäytyminen. Ostettu: chem.wisc.edu
4. Deziel, Chris. (27. huhtikuuta 2018). Happojen ja emästen yleiset ominaisuudet. Sciencing. Palautettu osoitteesta: sciencing.com
5. Pittsburgh Supercomputing Center (PSC). (25. lokakuuta 2000). Palautettu: psc.edu.