- Kenmerken van zuren
- - Fysieke eigenschappen
- - Mogelijkheid om protonen te genereren
- - Ze hebben waterstofatomen met een lage elektronendichtheid
- - Sterkte of zuurgraad constant
- Metingen
- - Het heeft zeer stabiele geconjugeerde basen
- - Ze kunnen een positieve lading hebben
- - Hun oplossingen hebben pH-waarden lager dan 7
- - Mogelijkheid om basen te neutraliseren
- Sterke zuren en zwakke zuren
- Voorbeelden van zuren
- Waterstofhalogeniden
- Oxozuren
- Super zuren
- Organische zuren
- Referenties
De zuren zijn verbindingen met een sterke neiging om protonen af te geven of een elektronenpaar te accepteren. Er zijn veel definities (Bronsted, Arrhenius, Lewis) die de eigenschappen van zuren karakteriseren, en elk ervan wordt aangevuld om een globaal beeld van dit soort verbindingen op te bouwen.
Vanuit het bovenstaande perspectief kunnen alle bekende stoffen zuur zijn, maar alleen de stoffen die ver boven de andere uitkomen, worden als zodanig beschouwd. Met andere woorden: als een stof een extreem zwakke protonendonor is, vergeleken met bijvoorbeeld water, kan gezegd worden dat het geen zuur is.
Azijnzuur, een zwak zuur, schenkt een proton (waterstofion, groen gemarkeerd) aan water in een evenwichtsreactie om het acetaat-ion en het hydroniumion te geven. Rood: zuurstof. Zwarte koolstof. Wit: waterstof.
Wat zijn nu precies de zuren en hun natuurlijke bronnen? Een typisch voorbeeld hiervan is te vinden in veel fruit: zoals citrus. Limonades hebben hun karakteristieke smaak dankzij citroenzuur en andere componenten.
De tong kan de aanwezigheid van zuren detecteren, net als andere smaken. Afhankelijk van de zuurgraad van deze verbindingen, wordt de smaak ondraaglijker. Op deze manier functioneert de tong als een organoleptische meter voor de concentratie van zuren, in het bijzonder de concentratie van hydroniumionen (H 3 O + ).
Aan de andere kant worden zuren niet alleen in voedsel aangetroffen, maar ook in levende organismen. Evenzo bevatten bodems stoffen die ze als zuur kunnen karakteriseren; dat is het geval bij aluminium en andere metaalkationen.
Kenmerken van zuren
Welke kenmerken moet een verbinding volgens de bestaande definities hebben om als zuur te worden beschouwd?
Het moet in staat zijn om H + en OH - ionen te genereren door het op te lossen in water (Arrhenius), het moet heel gemakkelijk protonen afgeven aan andere soorten (Bronsted) of tenslotte moet het in staat zijn om een paar negatief geladen elektronen te accepteren (Lewis).
Deze kenmerken hangen echter nauw samen met de chemische structuur. Daarom kan, door het te leren analyseren, de zuurgraad of een aantal verbindingen worden afgeleid welke van de twee het meest zuur is.
- Fysieke eigenschappen
Zuren hebben een smaak die de overtolligheid waard is, zuur en hun geur brandt vaak de neusgaten. Het zijn vloeistoffen met een plakkerige of olieachtige textuur en kunnen de kleur van lakmoespapier en methyloranje veranderen in rood (Properties of Acids and Bases, SF).
- Mogelijkheid om protonen te genereren
In 1923 introduceerden de Deense chemicus Johannes Nicolaus Brønsted en de Engelse chemicus Thomas Martin Lowry de theorie van Brønsted en Lowry waarin stond dat elke verbinding die een proton naar een andere verbinding kan overbrengen een zuur is (Encyclopædia Britannica, 1998). Bijvoorbeeld in het geval van zoutzuur:
HCl → H + + Cl -
De theorie van Brønsted en Lowry kon het zuurgedrag van bepaalde stoffen niet verklaren. In 1923 introduceerde de Amerikaanse chemicus Gilbert N. Lewis zijn theorie, waarin een zuur wordt beschouwd als elke verbinding die, in een chemische reactie, in staat is om een paar elektronen te verbinden die niet gedeeld worden in een ander molecuul (Encyclopædia Britannica, 1998) .
Op deze manier hebben ionen zoals Cu 2+ , Fe 2+ en Fe 3+ het vermogen om te binden aan paren vrije elektronen, bijvoorbeeld uit water om protonen te produceren op de volgende manier:
Cu 2+ + 2H 2 O → Cu (OH) 2 + 2H +
- Ze hebben waterstofatomen met een lage elektronendichtheid
Voor het methaanmolecuul, CH 4 , is geen van de waterstofatomen elektronisch deficiënt. Dit komt omdat het verschil in elektronegativiteiten tussen koolstof en waterstof erg klein is. Maar als je een van de H-atomen te vervangen door één van fluor, dan zou er zijn H: een merkbaar verschil in het dipoolmoment 2 FC- H .
H ervaart een verplaatsing van zijn elektronenwolk naar het aangrenzende atoom gebonden aan F, wat hetzelfde is, δ + neemt toe. Nogmaals, als een andere H wordt vervangen door een andere F, dan wordt het molecuul: HF 2 C- H .
Nu δ + is nog groter, omdat twee F-atomen, sterk elektronegatieve elektronendichtheid waarin de C verwijderd en deze laatste bijgevolg de H . Indien het vervangingsproces doorgaan uiteindelijk verkregen: F 3 C- H .
In dit laatste molecuul vertoont H , als gevolg van de drie naburige F-atomen, een duidelijk elektronisch defect. Deze δ + blijft niet onopgemerkt voor een soort die rijk genoeg is aan elektronen om deze H en op deze manier F 3 CH te strippen om negatief geladen te worden:
F 3 C– H +: N - (negatieve soort) => F 3 C: - + H N
De bovenstaande chemische vergelijking kan ook als volgt worden beschouwd: F 3 CH schenkt een proton (H + , de H nadat deze is losgekoppeld van het molecuul) aan: N; of F 3 CH krijgt een paar elektronen van H wanneer een ander paar wordt gedoneerd aan de laatste van: N - .
- Sterkte of zuurgraad constant
Hoeveel F 3 C: - is er in de oplossing aanwezig? Of, hoeveel moleculen van F 3 CH kunnen zure waterstof doneren aan N? Om deze vragen te beantwoorden, is het nodig om de concentratie van F 3 C: - of H N te bepalen en met behulp van een wiskundige vergelijking een numerieke waarde vast te stellen die de zuurconstante Ka wordt genoemd.
Hoe meer moleculen van F 3 C: - of HN worden geproduceerd, hoe zuurder F 3 CH zal zijn en hoe groter de Ka. Op deze manier helpt Ka om kwantitatief te verduidelijken welke verbindingen zuurder zijn dan andere; en evenzo verwerpt het als zuren die waarvan de Ka van een extreem kleine orde is.
Sommige Ka kan waarden die ongeveer 10 hebben -1 en 10 -5 , en anderen, waarden miljoenste kleiner als 10 -15 en 10 -35 . Men kan dan zeggen dat laatstgenoemde, met genoemde zuurgraadconstanten, extreem zwakke zuren zijn en als zodanig kunnen worden weggegooid.
Dus welke van de volgende moleculen heeft de hoogste Ka: CH 4 , CH 3 F, CH 2 F 2 of CHF 3 ? Het antwoord ligt in het ontbreken van elektronendichtheid, δ +, in hun waterstofatomen.
Metingen
Maar wat zijn de criteria voor het standaardiseren van Ka-metingen? De waarde kan enorm variëren, afhankelijk van welke soort de H + krijgt . Als: N een sterke basis is, zal Ka bijvoorbeeld groot zijn; maar als het daarentegen een erg zwakke basis is, zal Ka klein zijn.
Ka-metingen worden uitgevoerd met de meest voorkomende en zwakste van alle basen (en zuren): water. Afhankelijk van de mate van donatie van H + aan de H 2 O- moleculen , bij 25 ° C en bij een druk van één atmosfeer, worden de standaardcondities vastgesteld om de zuurgraadconstanten voor alle verbindingen te bepalen.
Hieruit ontstaat een repertoire van tabellen met zuurconstanten voor veel verbindingen, zowel anorganisch als organisch.
- Het heeft zeer stabiele geconjugeerde basen
Zuren hebben sterk elektronegatieve atomen of eenheden (aromatische ringen) in hun chemische structuren die elektronendichtheden aantrekken van omringende waterstofatomen, waardoor ze gedeeltelijk positief en reactief worden ten opzichte van een base.
Zodra de protonen doneren, verandert het zuur in een geconjugeerde base; dat wil zeggen, een negatieve soort die H + kan accepteren of een paar elektronen kan doneren. In het voorbeeld van het CF 3 H- molecuul is de geconjugeerde base CF 3 - :
CF 3 - + HN <=> CHF 3 +: N -
Als CF 3 - een zeer stabiele geconjugeerde base is, zal het evenwicht meer naar links dan naar rechts worden verschoven. En hoe stabieler het is, hoe reactiever en zuurder het zuur zal zijn.
Hoe weet je hoe stabiel ze zijn? Het hangt allemaal af van hoe ze omgaan met de nieuwe negatieve lading. Als ze de toenemende elektronendichtheid efficiënt kunnen delokaliseren of diffunderen, zal het niet beschikbaar zijn voor gebruik bij binding met de basis H.
- Ze kunnen een positieve lading hebben
Niet alle zuren hebben elektron-deficiënte waterstofatomen, maar kunnen ook andere atomen hebben die elektronen kunnen opnemen, met of zonder een positieve lading.
Hoe is dit? In boortrifluoride, BF 3 , mist het B-atoom bijvoorbeeld een octet van valentie, dus het kan een binding vormen met elk atoom dat het een elektronenpaar geeft. Als een anion F - ronde in zijn omgeving optreedt, treedt de volgende chemische reactie op:
BF 3 + F - => BF 4 -
Aan de andere kant worden vrije metaalkationen, zoals Al 3+ , Zn 2+ , Na + , enz., Beschouwd als zuren, aangezien ze datieve (coördinatie) bindingen van elektronenrijke soorten uit hun omgeving kunnen accepteren. Evenzo reageren ze met OH - ionen om neer te slaan als metaalhydroxiden:
Zn 2+ (aq) + 2OH - (aq) => Zn (OH) 2 (s)
Deze staan allemaal bekend als Lewis-zuren, terwijl degenen die protonen afstaan Bronsted-zuren zijn.
- Hun oplossingen hebben pH-waarden lager dan 7
Afbeelding: pH-schaal.
Meer specifiek genereert een zuur, wanneer het wordt opgelost in een oplosmiddel (dat het niet merkbaar neutraliseert), oplossingen met een pH lager dan 3, hoewel ze lager zijn dan 7 als zeer zwakke zuren worden beschouwd.
Dit kan worden geverifieerd door een zuur-base-indicator te gebruiken, zoals fenolftaleïne, universele indicator of paars koolsap. Die verbindingen die de kleuren veranderen in die welke zijn aangegeven voor een lage pH, worden behandeld als zuren. Dit is een van de eenvoudigste tests om de aanwezigheid ervan te bepalen.
Hetzelfde kan bijvoorbeeld worden gedaan voor verschillende bodemmonsters uit verschillende delen van de wereld, waardoor hun pH-waarden worden bepaald om, samen met andere variabelen, ze te karakteriseren.
En tot slot hebben alle zuren een zure smaak, zolang ze niet zo geconcentreerd zijn dat ze de weefsels van de tong onomkeerbaar verbranden.
- Mogelijkheid om basen te neutraliseren
Arrhenius stelt in zijn theorie dat zuren, die protonen kunnen genereren, op de volgende manier reageren met de hydroxyl van de basen om zout en water te vormen:
HCl + NaOH → NaCl + H 2 O.
Deze reactie wordt neutralisatie genoemd en vormt de basis van de analytische techniek die titratie wordt genoemd (Bruce Mahan, 1990).
Sterke zuren en zwakke zuren
Zuren worden ingedeeld in sterke zuren en zwakke zuren. De sterkte van een zuur hangt samen met zijn evenwichtsconstante, daarom worden deze constanten in het geval van zuren zuurconstanten Ka genoemd.
Sterke zuren hebben dus een grote zuurconstante, zodat ze de neiging hebben om volledig te dissociëren. Voorbeelden van deze zuren zijn zwavelzuur, zoutzuur en salpeterzuur, waarvan de zuurconstanten zo groot zijn dat ze niet in water kunnen worden gemeten.
Aan de andere kant is een zwak zuur een zuur waarvan de dissociatieconstante laag is, dus het bevindt zich in chemisch evenwicht. Voorbeelden van deze zuren zijn azijnzuur en melkzuur en salpeterig zuur waarvan de zuurgraadconstanten in de orde van grootte van 10-4 liggen . Figuur 1 toont de verschillende zuurgraadconstanten voor verschillende zuren.
Figuur 1: zuurdissociatieconstanten.
Voorbeelden van zuren
Waterstofhalogeniden
Alle waterstofhalogeniden zijn zure verbindingen, vooral wanneer ze zijn opgelost in water:
-HF (fluorwaterstofzuur).
-HCl (zoutzuur).
-HBr (broomwaterstofzuur).
-HI (jodiumzuur).
Oxozuren
Oxozuren zijn de geprotoneerde vormen van oxoanionen:
HNO 3 (salpeterzuur).
H 2 SO 4 (zwavelzuur).
H 3 PO 4 (fosforzuur).
HClO 4 (perchloorzuur).
Super zuren
Superzuren zijn het mengsel van een sterk Bronsted-zuur en een sterk Lewis-zuur. Eenmaal gemengd vormen ze complexe structuren waarin, volgens bepaalde studies, de H + erin "springt".
Hun corrosieve kracht is zodanig dat ze miljarden keren sterker zijn dan geconcentreerd H 2 SO 4 . Ze worden gebruikt om grote moleculen die aanwezig zijn in ruwe olie te kraken tot kleinere, vertakte moleculen en met een grote economische meerwaarde.
-BF 3 / HF
-SbF 5 / HF
-SbF 5 / HSO 3 F
-CF 3 SO 3 H
Organische zuren
Organische zuren worden gekenmerkt door een of meer carboxylgroepen (COOH), waaronder:
-Citroenzuur (aanwezig in veel fruit)
Appelzuur (van groene appels)
-Aazijnzuur (uit commerciële azijn)
-Boterzuur (van ranzig boter)
-Wijnsteenzuur (uit wijnen)
-En de familie van vetzuren.
Referenties
- Torrens H. Harde en zachte zuren en basen. . Genomen uit: depa.fquim.unam.mx
- Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (3 mei 2018). Namen van 10 gewone zuren. Hersteld van: thoughtco.com
- Chempages Netorials. Zuren en basen: moleculaire structuur en gedrag. Genomen uit: chem.wisc.edu
- Deziel, Chris. (27 april 2018). Algemene kenmerken van zuren en basen. Wetenschappelijk. Hersteld van: sciencing.com
- Pittsburgh Supercomputing Center (PSC). (25 oktober 2000). Hersteld van: psc.edu.