КИСЕЛИНИ: ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПРИМЕРИ - ХИМИЯ - 2025

На киселини са съединения с високи тенденции на протонната даряват или приемане на електронна двойка. Има много определения (Bronsted, Arrhenius, Lewis), които характеризират свойствата на киселините и всяка от тях се допълва, за да се изгради глобален образ на тези видове съединения.

От горната гледна точка всички известни вещества могат да бъдат кисели, но само тези, които се открояват далеч над останалите, се считат за такива. С други думи: ако веществото е изключително слаб донор на протони, в сравнение с водата например, може да се каже, че не е киселина.

Оцетната киселина, слаба киселина, дарява протона (водороден йон, подчертан в зелено) на вода при равновесна реакция, за да даде ацетатния йон и хидрониевия йон. Червено: кислород. Черен: въглерод. Бяло: водород.

Това е така, какви точно са киселините и техните естествени източници? Типичен пример за тях може да се намери вътре в много плодове: например цитрусови плодове. Лимонадите имат своя характерен аромат поради лимонената киселина и други компоненти.

Езикът може да открие наличието на киселини, точно както прави и други аромати. В зависимост от нивото на киселинност на тези съединения, вкусът става по-непоносим. По този начин, функциите на перото като органолептично m за концентрацията на киселини, по-специално концентрацията на хидрониев йон (Н ₃ О ⁺).

От друга страна, киселините се намират не само в храната, но и в живите организми. По същия начин почвите представят вещества, които могат да ги характеризират като кисели; такъв е случаят с алуминиевите и други метални катиони.

Характеристики на киселините

Какви характеристики трябва да има съединението според съществуващите дефиниции, за да се счита за кисело?

Тя трябва да може да генерира H ⁺ и OH ^- йони чрез разтваряне във вода (Arrhenius), трябва да дарява протони на други видове много лесно (Bronsted) или накрая, трябва да може да приеме двойка електрони, като е отрицателно заредена (Lewis).

Тези характеристики обаче са тясно свързани с химическата структура. Следователно, като се научим да го анализираме, неговата сила на киселинност или на няколко съединения може да се заключи кое от двете е най-киселото.

- Физични свойства

Киселините имат аромат, струва си излишък, киселина и миризмата им често изгаря ноздрите. Те са течности с лепкава или мазна текстура и имат способността да променят цвета на лакмусовата хартия и метилово оранжевия до червен (Свойства на киселини и основи, SF).

- Възможност за генериране на протони

През 1923 г. датският химик Йоханес Николаус Бронстед и английският химик Томас Мартин Лоури въвеждат теорията на Брьонстед и Лоури, заявявайки, че всяко съединение, което може да прехвърли протона към всяко друго съединение, е киселина (Encyclopædia Britannica, 1998). Например в случая на солна киселина:

HCl → H ⁺ + Cl ^-

Теорията на Брьонстед и Лоури не обясни киселинното поведение на определени вещества. През 1923 г. американският химик Гилбърт Н. Люис представи своята теория, в която киселина се счита за всяко съединение, което при химическа реакция е способно да се присъедини към двойка електрони, които не се споделят в друга молекула (Encyclopædia Britannica, 1998), По този начин йони като Cu ²⁺, Fe ²⁺ и Fe ³⁺ имат способността да се свързват с двойки свободни електрони, например от вода, за да произвеждат протони по следния начин:

Cu ²⁺ + 2H ₂ O → Cu (OH) ₂ + 2H ⁺

- Имат водород с лоша електронна плътност

За молекула метан, CH ₄, нито един от нейните водородни атоми е електронен дефицит. Това е така, защото разликата в електроотрицателността между въглерод и водород е много малка. Но ако сте на мястото на един от най-Н-атоми от един от флуор, а след това ще има да бъде забележима промяна в момента, в който дипол: H ₂ FC- H.

H изпитва изместване на електронния си облак към съседния атом, свързан към F, което е същото, δ + нараства. Отново, ако друг Н е заменен с друг F, молекулата става: HF ₂ C- H.

Сега δ + е още по-голяма, защото два F атоми, силно електроотрицателна електронна плътност, които се отстрани С и тази последна следователно до H. Ако процесът на смяна продължи накрая получава: F ₃ С- Н.

В тази последна молекула Н представлява, като следствие от трите съседни F атома, изразен електронен дефицит. Този δ + не остава незабелязан за нито един вид, достатъчно богат на електрони, за да се съблича този Н и по този начин F ₃ CH да стане отрицателно зареден:

F ₃ C– H +: N ^- (отрицателни видове) => F ₃ C: ^- + H N

Горното химично уравнение също може да се разглежда по този начин: F ₃ CH дарява протон (H ⁺, H веднъж отделен от молекулата) на: N; или, F ₃ CH получава двойка електрони от Н, когато друга двойка е дарена на последната от: N ^-.

- Константа на сила или киселинност

Колко F ₃ C: ^- присъства в разтвора? Или колко молекули на F ₃ CH могат да дарят кисел водород на N? За да се отговори на тези въпроси, е необходимо да се определи концентрацията на F ₃ C: ^- или H N и с помощта на математическо уравнение да се установи числова стойност, наречена константа на киселинност, Ka.

Колкото повече молекули на F ₃ С: ^- или HN произведени, по-кисела F ₃ CH ще бъдат и по-голямото си Ка. По този начин Ка помага да се изясни количествено кои съединения са по-кисели от другите; и по същия начин изхвърля като киселини онези, чиято Ка е от изключително малък порядък.

Някои Ka могат да имат стойности, които са около 10 ^-1 и 10 ^-5, а други - милионни по-малки като 10 ^-15 и 10 ^-35. След това може да се каже, че последните, които имат константи на киселинност, са изключително слаби киселини и могат да бъдат изхвърлени като такива.

Така коя от следните молекули има най-Ка: CH ₄, СН ₃ F, СН ₂ F _2, или CHF ₃ ? Отговорът се крие в липсата на електронна плътност, δ +, в техните хидрогени.

размери

Но какви са критериите за стандартизиране на измерванията на Ка? Стойността му може да варира значително в зависимост от това кой вид ще получи Н ⁺. Например, ако: N е силна основа, Ka ще бъде голям; но ако, напротив, това е много слаба база, Ка ще бъде малка.

Ка измерванията се правят с помощта на най-разпространената и най-слабата от всички основи (и киселини): вода. В зависимост от степента на дарение на Н ⁺ до Н на ₂ изходни молекули, при 25 ° С и при налягане от една атмосфера, са установени стандартни условия, за да се определи константи киселинност за всички съединения.

От това произлиза репертоар от таблици на константи на киселинност за много съединения, неорганични и органични.

- Има много стабилни конюгирани основи

Киселините имат силно електроотрицателни атоми или единици (ароматни пръстени) в своите химически структури, които привличат плътността на електроните от заобикалящите водород, като по този начин те стават частично положителни и реактивни към база.

След като протоните даряват, киселината се трансформира в конюгирана основа; тоест отрицателен вид, способен да приеме Н ⁺ или да дари двойка електрони. В примера на CF ₃ H молекула спрегнатата му основа е CF ₃ ^-:

CF ₃ ^- + HN <=> CHF ₃ +: N ^-

Ако CF ₃ ^- е много стабилна конюгирана основа, равновесието ще бъде изместено повече вляво, отколкото вдясно. Освен това, колкото по-стабилна е, толкова по-реактивна и кисела ще бъде киселината.

Как да разберете колко са стабилни? Всичко зависи от това как се справят с новия отрицателен заряд. Ако те могат да делокализират или дифузират нарастващата електронна плътност ефективно, тя няма да бъде достъпна за използване при свързване с базата H.

- Те могат да имат положителни такси

Не всички киселини имат електронен дефицит водород, но могат да имат и други атоми, способни да приемат електрони, със или без положителен заряд.

Как е това? Например, в борен трифлуорид, BF ₃, Б атом липсва октет на валентността, така че може да образува връзка с всеки атом, че тя дава електронна двойка. Ако анион F ^- кръг в близост се случи следната химическа реакция:

BF ₃ + F ^- => BF ₄ ^-

От друга страна, свободните метални катиони, като Al ³⁺, Zn ²⁺, Na ⁺ и др., Се считат за киселини, тъй като те могат да приемат дативни (координационни) връзки на богати на електронни видове от своята среда. По същия начин те реагират с OH ^- йони и се утаяват като метални хидроксиди:

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

Всички те са известни като киселини на Луис, докато тези, които даряват протони, са Бронстед киселини.

- Техните разтвори имат стойности на pH по-ниски от 7

Фигура: pH скала.

По-конкретно, киселина, разтворена във всеки разтворител (който не я неутрализира значително), генерира разтвори с рН по-ниско от 3, въпреки че под 7 те се считат за много слаби киселини.

Това може да се провери с помощта на киселинно-алкален индикатор, като фенолфталеин, универсален индикатор или сок от лилаво зеле. Тези съединения, които превръщат цветовете в тези, посочени за ниско рН, се третират като киселини. Това е един от най-простите тестове за определяне наличието на такива.

Същото може да се направи например за различни почвени проби от различни части на света, като по този начин се определят техните стойности на pH, заедно с други променливи, да ги характеризират.

И накрая, всички киселини имат кисели аромати, стига да не са толкова концентрирани, че необратимо да изгарят тъканите на езика.

- Способност за неутрализиране на бази

Арений в своята теория предлага киселините, бидейки способни да генерират протони, да реагират с хидроксила на основите, за да образуват сол и вода по следния начин:

HCl + NaOH → NaCl + H ₂ O.

Тази реакция се нарича неутрализация и е в основата на аналитичната техника, наречена титруване (Bruce Mahan, 1990).

Силни киселини и слаби киселини

Киселините се класифицират в силни и слаби киселини. Силата на една киселина е свързана с нейната постоянна равновесие, следователно в случая с киселини тези константи се наричат ​​киселинни константи Ка.

По този начин силните киселини имат голяма киселинна константа, така че са склонни да се дисоциират напълно. Примери за тези киселини са сярна киселина, солна киселина и азотна киселина, чиито киселинни константи са толкова големи, че не могат да бъдат измерени във вода.

От друга страна, слабата киселина е тази, чиято константа на дисоциация е ниска, така че е в химическо равновесие. Примери за тези киселини са оцетна киселина и млечна киселина и азотна киселина, чиито константи на киселинност са от порядъка на 10 ^-4. Фигура 1 показва различните константи на киселинност за различни киселини.

Фигура 1: константи на дисоциация на киселина.

Примери за киселини

Водородни халогениди

Всички водородни халогениди са киселинни съединения, особено когато се разтварят във вода:

-HF (флуороводородна киселина).

-HCl (солна киселина).

-HBr (бромоводородна киселина).

-HI (йодна киселина).

Oxoacids

Оксо киселините са протонираните форми на оксоаниони:

HNO ₃ (азотна киселина).

Н ₂ SO ₄ (сярна киселина).

H ₃ PO ₄ (фосфорна киселина).

HClO ₄ (перхлорна киселина).

Супер киселини

Супер киселините са сместа на силна Бростенова киселина и силна киселина на Люис. Веднъж смесени, те образуват сложни структури, при които според определени изследвания Н ⁺ „скача“ вътре в тях.

Тяхната корозивна сила е такава, че те са милиарди пъти по-силни от концентрирания H ₂ SO ₄. Те се използват за напукване на големи молекули, присъстващи в суров нефт, в по-малки, разклонени молекули и с голяма добавена икономическа стойност.

-BF ₃ / HF

-SbF ₅ / HF

-SbF ₅ / HSO ₃ F

-CF ₃ SO ₃ Н

Органични киселини

Органичните киселини се характеризират с това, че имат една или повече карбоксилни групи (COOH) и сред тях са:

Лимонена киселина (присъства в много плодове)

Ябълчена киселина (от зелени ябълки)

-Оцетна киселина (от търговски оцет)

-Маслена киселина (от гранясало масло)

-Тартанова киселина (от вина)

-И семейството на мастни киселини.

Препратки

1. Torrens H. Твърди и меки киселини и основи., Взето от: depa.fquim.unam.mx
2. Хелменстин, Ан Мари, доктор на науките (3 май 2018 г.). Имена на 10 обикновени киселини. Възстановено от: thinkco.com
3. Нетъриали за шампански. Киселини и основи: молекулярна структура и поведение. Взета от: chem.wisc.edu
4. Дезиел, Крис. (27 април 2018 г.). Обща характеристика на киселини и основи. Sciencing. Възстановено от: sciaching.com
5. Питсбъргски суперкомпютърен център (PSC). (25 октомври 2000 г.). Възстановена от: psc.edu.