- מאפייני חומצות
- - תכונות גשמיות
- - יכולת ליצור פרוטונים
- יש להם הידרוגנים דלים בצפיפות אלקטרונים
- - חוזק או חומציות קבועים
- מידות
- - יש בו בסיסים מצומדים יציבים מאוד
- הם יכולים להיות בעלי חיובים חיוביים
- - לתמיסות שלהם ערכי pH נמוכים מ -7
- - יכולת נטרול בסיסים
- חומצות חזקות וחומצות חלשות
- דוגמאות לחומצות
- הלידות מימן
- חמצן
- חומצות סופר
- חומצה אורגנית
- הפניות
החומצות הן תרכובות עם נטיות גבוהות של פרוטונים לתרום או לקבל זוג אלקטרונים. ישנן הגדרות רבות (ברונסטד, ארהניוס, לואיס) המאפיינות את תכונות החומצות, וכל אחת מהן משלימה לבניית דימוי עולמי של סוגים אלו של תרכובות.
מנקודת המבט לעיל, כל החומרים הידועים יכולים להיות חומציים, אולם רק אלה שבולטים הרחק מעל האחרים נחשבים ככאלה. במילים אחרות: אם חומר הוא תורם פרוטון חלש במיוחד, לעומת מים למשל, ניתן לומר שהוא לא חומצה.
חומצה אצטית, חומצה חלשה, תורמת פרוטון (יון מימן, מודגש בירוק) למים בתגובת שיווי משקל כדי לתת את יון האצטט ואת יון ההידרוניום. אדום: חמצן. פחמן שחור. לבן: מימן.
במקרה זה, מה בדיוק החומצות והמקורות הטבעיים שלהן? דוגמא אופיינית להן ניתן למצוא בתוך פירות רבים: כגון הדרים. לימונדה יש את הטעם האופייני שלהם בגלל חומצת לימון ורכיבים אחרים.
הלשון יכולה לגלות נוכחות של חומצות, בדיוק כמו שהיא עושה טעמים אחרים. בהתאם לרמת החומציות של תרכובות אלה, הטעם הופך בלתי נסבל יותר. באופן זה הלשון מתפקדת כמטר אורגנופליטי לריכוז החומצות, ובמיוחד לריכוז יון ההידרוניום (H 3 O + ).
מצד שני, חומצות לא נמצאות רק במזון, אלא גם בתוך אורגניזמים חיים. באופן דומה, קרקעות מציגות חומרים שיכולים לאפיין אותם כחומציים; זה המקרה של אלומיניום וקטיוני מתכת אחרים.
מאפייני חומצות
אילו מאפיינים חייבים לתרכובת, על פי ההגדרות הקיימות, להיחשב חומצי?
זה חייב להיות מסוגל לייצר H + ו OH - יונים על ידי המסה במים (ארהניוס), הוא חייב לתרום פרוטונים למינים אחרים בקלות רבה (Bronsted) או סוף סוף, הוא חייב להיות מסוגל לקבל זוג האלקטרונים, להיות בעלי מטען שלילי (לואיס).
עם זאת, מאפיינים אלה קשורים קשר הדוק למבנה הכימי. כך שלומדים לנתח אותו, אפשר להסיק את חוזק החומציות שלו או של כמה תרכובות, מי מהשניים הוא החומצי ביותר.
- תכונות גשמיות
לחומצות יש טעם, שווה את יתירותו, חומצה וריחם לרוב שורף את הנחיריים. מדובר בנוזלים בעלי מרקם דביק או שמנוני ויכולים לשנות את צבע נייר הלקמוס ומתיל כתום לאדום (מאפייני חומצות ובסיסים, SF).
- יכולת ליצור פרוטונים
בשנת 1923 הציגו הכימאי הדני יוהנס ניקולאוס ברונסטד והכימאי האנגלי תומאס מרטין לאורי, את תיאוריית ברונסטד ולורי וקבעו כי כל תרכובת שיכולה להעביר פרוטון לכל תרכובת אחרת היא חומצה (Encyclopædia Britannica, 1998). לדוגמא במקרה של חומצה הידרוכלורית:
HCl → H + + Cl -
התיאוריה של ברונסטד ולורי לא הסבירה את התנהגותם החומצית של חומרים מסוימים. בשנת 1923 הציג הכימאי האמריקני גילברט נ 'לואיס את התיאוריה שלו, שבה חומצה נחשבת לכל תרכובת שבתגובה כימית היא מסוגלת להצטרף לזוג אלקטרונים שלא שותפים למולקולה אחרת (Encyclopædia Britannica, 1998) .
באופן זה, ליונים כמו Cu 2+ , Fe 2+ ו- Fe 3+ יש את היכולת להיקשר לזוגות של אלקטרונים חופשיים, למשל ממים לייצור פרוטונים בדרך הבאה:
Cu 2+ + 2H 2 O → Cu (OH) 2 + 2H +
יש להם הידרוגנים דלים בצפיפות אלקטרונים
עבור מולקולת המתאן, CH 4 , אף אחד מההידרוגנים שלה אינו חסר אלקטרונית. הסיבה לכך היא שההבדל בהשוואה בין פחמן למימן הוא קטן מאוד. אבל אם אתה מחליף את אחד מאטומי H ידי אחד פלואור, אז לא יהיה שינוי ניכר הרגע דיפול: H 2 FC- H .
H חווה תזוזה של ענן האלקטרונים שלו לעבר האטום הסמוך שנקשר ל- F, וזהה, δ + עולה. שוב, אם מחליף H אחר על ידי F אחר, המולקולה הופכת ל: HF 2 C- H .
עכשיו δ + היא אפילו גדולה יותר, בגלל שני אטומי F, מאוד אלקטרו-צפיפות אלקטרונים אשר תסיר את C, ועניין אחרון זה ולכן אל H . אם תהליך ההחלפה ימשיך סוף סוף להשיג: F 3 C- H .
במולקולה האחרונה זו H מציגה, כתוצאה משלושת האטומים F השכנים, מחסור אלקטרוני ניכר. Δ + זה לא מתעלם מאף מין שהוא עשיר מספיק באלקטרונים כדי להפשיר את ה- H ובדרך זו F 3 CH כדי להיות טעון שלילי:
F 3 C– H +: N - (מינים שליליים) => F 3 C: - + H N
ניתן לשקול גם את המשוואה הכימית שלעיל כך: F 3 CH תורם פרוטון (H + , ה- H פעם מנותק מהמולקולה) ל: N; או, F 3 CH רוכש זוג אלקטרונים מ- H כאשר זוג אחר נתרם לאחרון מ: N - .
- חוזק או חומציות קבועים
כמה F 3 C: - קיים בפיתרון? לחלופין, כמה מולקולות של F 3 CH יכולות לתרום מימן חומצי ל- N? כדי לענות על שאלות אלה, יש לקבוע את ריכוז F 3 C: - או H N ובעזרת משוואה מתמטית, קבע ערך מספרי הנקרא קבוע החומציות, Ka.
ככל שיותר מולקולות של F 3 C: - או HN שיוצרו, F 3 CH חומצי יותר ויהיה ה- Ka גדול יותר. בדרך זו Ka עוזרת להבהיר, כמותית, אילו תרכובות חומציות יותר מאחרות; וכמו כן, הוא זורק כחומצות את מי שקא שלהן בסדר גודל קיצוני.
בכמה Ka יכולים להיות ערכים הנמצאים בסביבות 10-1 ו- 10 -5 , ואחרים, ערכים המיליונים קטנים יותר כמו 10 -15 ו- 10 -35 . לאחר מכן ניתן לומר כי האחרונים, לאחר קביעת החומציות האמורה, הם חומצות חלשות ביותר וניתן להשליך אותם ככאלה.
אז לאיזה מהמולקולות הבאות יש את Ka הגבוה ביותר: CH 4 , CH 3 F, CH 2 F 2, או CHF 3 ? התשובה נעוצה בחוסר צפיפות האלקטרונים, δ +, במידרוגנים שלהם.
מידות
אך מהם הקריטריונים לתקן מדידות Ka? ערכו יכול להשתנות מאוד תלוי באיזה מין יקבלו H + . לדוגמה, אם: N הוא בסיס חזק, Ka יהיה גדול; אבל אם להפך, זה בסיס חלש מאוד, קא יהיה קטן.
מדידות Ka נעשות באמצעות הנפוצה והחלשה ביותר מבין כל הבסיסים (והחומצות): מים. בהתאם לדרגת התרומה של H + למולקולות H 2 O, ב 25 מעלות צלזיוס ובלחץ של אטמוספרה אחת, נקבעים התנאים הסטנדרטיים לקביעת קבועי החומציות עבור כל התרכובות.
מכאן עולה רפרטואר של טבלאות קבועות חומציות עבור תרכובות רבות, אורגניות ואורגניות כאחד.
- יש בו בסיסים מצומדים יציבים מאוד
לחומצות יש אטומים או יחידות אלקטרוניות מאוד (טבעות ארומטיות) במבנים הכימיים שלהם המושכים צפיפות אלקטרונים מההידרוגנים שמסביב, ובכך גורמים להם להיות חיוביים ומגיבים באופן חלקי לבסיס.
ברגע שהפרוטונים תורמים, החומצה הופכת לבסיס מצומד; כלומר, מין שלילי המסוגל לקבל H + או לתרום זוג אלקטרונים. בדוגמה של מולקולת CF 3 H בסיסה המצומד שלה הוא CF 3 - :
CF 3 - + HN <=> CHF 3 +: N -
אם CF 3 - הוא בסיס מצומד יציב מאוד, שיווי המשקל יועבר יותר שמאלה מאשר לימין. כמו כן, ככל שהיא יציבה יותר, כך תהיה החומצה תגובתית וחומצית.
איך אתה יודע כמה הם יציבים? הכל תלוי בהתמודדותם עם המטען השלילי החדש. אם הם יכולים למקם או לפזר את צפיפות האלקטרונים הגוברת ביעילות, הוא לא יהיה זמין לשימוש במליטה עם בסיס H.
הם יכולים להיות בעלי חיובים חיוביים
לא לכל החומצות יש הידרוגנים חסרי אלקטרונים, אך יתכנו גם אטומים אחרים המסוגלים לקבל אלקטרונים, עם או בלי מטען חיובי.
איך זה? לדוגמא, בבור טריפלואוריד, BF 3 , אטום B חסר אוקטט של ערכיות, כך שהוא יכול ליצור קשר עם כל אטום שנותן לו זוג אלקטרונים. אם אניון F - סיבוב בסביבתו מתרחש התגובה הכימית הבאה:
BF 3 + F - => BF 4 -
לעומת זאת, קטיוני מתכת חופשיים, כמו Al 3+ , Zn 2+ , Na + וכו ', נחשבים לחומצות, מכיוון שהם יכולים לקבל קשרים דאטיביים (קואורדינציה) של מינים עשירים באלקטרונים מסביבתם. כמו כן, הם מגיבים עם OH - יונים כדי לזרז ככל והידרוקסידים מתכת:
Zn 2+ (aq) + 2OH - (aq) => Zn (OH) 2 (s)
כל אלה ידועים כחומצות לואיס ואילו אלה התורמים פרוטונים הם חומצות ברונסטד.
- לתמיסות שלהם ערכי pH נמוכים מ -7
איור: סולם pH.
ליתר דיוק, כאשר חומצה מתמוססת בממס כלשהו (שאינו מנטרל אותה באופן ניכר), היא מייצרת תמיסות עם pH נמוך מ -3, אם כי מתחת ל 7 הן נחשבות לחומצות חלשות מאוד.
ניתן לאמת זאת באמצעות מחוון לבסיס חומצה, כמו פנולפתלין, אינדיקטור אוניברסלי או מיץ כרוב סגול. התרכובות ההופכות את הצבעים לאלו המצוינות לחומציות pH, מטופלות כחומצות. זהו אחד הבדיקות הפשוטות ביותר לקביעת נוכחותן.
ניתן לעשות את אותו הדבר למשל עבור דגימות אדמה שונות ממקומות שונים בעולם, ובכך לקבוע את ערכי ה- pH שלהם, יחד עם משתנים אחרים, לאפיין אותם.
ולבסוף, לכל החומצות יש טעמים חמוצים, כל עוד הן לא מרוכזות כך שתשרפו את רקמות הלשון באופן בלתי הפיך.
- יכולת נטרול בסיסים
ארחניוס, בתיאוריה שלו, מציע כי חומצות, על ידי יכולתן לייצר פרוטונים, יגיבו עם ההידרוקסיל של הבסיסים ליצירת מלח ומים באופן הבא:
HCl + NaOH → NaCl + H 2 O.
תגובה זו נקראת נטרול והיא הבסיס לטכניקה האנליטית המכונה טיטרציה (Bruce Mahan, 1990).
חומצות חזקות וחומצות חלשות
חומצות מסווגות לחומצות חזקות וחומצות חלשות. חוזקה של חומצה קשור לקבוע שיווי המשקל שלה, ולכן במקרה של חומצות קבועים אלו נקראים קבועי חומצה Ka.
לפיכך, לחומצות חזקות יש קבוע חומצה כך שהם נוטים להתנתק לחלוטין. דוגמאות לחומצות אלו הן חומצה גופרתית, חומצה הידרוכלורית וחומצה חנקתית, שקבוצת החומצה שלה היא כה גדולה עד שלא ניתן למדוד אותם במים.
מצד שני, חומצה חלשה היא כזו שקבוצת הניתוק שלה נמוכה כך שהיא נמצאת בשיווי משקל כימי. דוגמאות לחומצות אלו הן חומצה אצטית וחומצה לקטית וחומצה חנקנית אשר קבועי החומצה שלהן הם בסדר גודל של 10-4 . איור 1 מציג את קבועי החומציות השונים עבור חומצות שונות.
איור 1: קבועים לניתוק חומצות.
דוגמאות לחומצות
הלידות מימן
כל ההלידים המימניים הם תרכובות חומציות, במיוחד כאשר הם מומסים במים:
-HF (חומצה הידרפלואורית).
-HCl (חומצה הידרוכלורית).
-HBr (חומצה הידרובומית).
-HI (חומצה יוד).
חמצן
חומצות אוקסו הן הצורות הפרוטונומיות של oxoanions:
HNO 3 (חומצה חנקתית).
H 2 SO 4 (חומצה גופרתית).
H 3 PO 4 (חומצה זרחתית).
HClO 4 (חומצה perchloric).
חומצות סופר
חומצות סופר הן תערובת של חומצה ברונסטדית חזקה וחומצה לואיס חזקה. ברגע שהם מעורבים הם יוצרים מבנים מורכבים שבהם, על פי מחקרים מסוימים, ה- H + "קופץ" בתוכם.
הכוח המאכל שלהם הוא כזה שהם חזקים במיליארדים פעמים מה- H 2 SO 4 . הם משמשים לפיצוח מולקולות גדולות שנמצאות בשמן גולמי, למולקולות קטנות ומסועפות יותר ועם ערך כלכלי רב נוסף.
-BF 3 / HF
-SbF 5 / HF
-SbF 5 / HSO 3 F
-CF 3 SO 3 H
חומצה אורגנית
חומצות אורגניות מאופיינות בכך שיש קבוצות קרבוקסיליות אחת או יותר (COOH), וביניהן:
חומצה קיטרית (קיימת בפירות רבים)
חומצה מאלית (מתפוחים ירוקים)
חומצה אצטית (מחומץ מסחרי)
-חומצה בוטירית (מחמאה מעופשת)
חומצה טרטרית (מיינות)
ומשפחת חומצות השומן.
הפניות
- טורנס ה. חומצות ובסיסים קשים ורכים. . נלקח מ: depa.fquim.unam.mx
- הלמנסטין, אן מארי, דוקטורט. (3 במאי 2018). שמות של 10 חומצות נפוצות. התאושש מ: thoughtco.com
- Chempages Netorials. חומצות ובסיסים: מבנה מולקולרי והתנהגות. נלקח מ: chem.wisc.edu
- דזיאל, כריס. (27 באפריל 2018). מאפיינים כלליים של חומצות ובסיסים. מדע. התאושש מ: sciencing.com
- מרכז מחשבי העל של פיטסבורג (PSC). (25 באוקטובר 2000). התאושש מ: psc.edu.