1.2. Chemické väzby 10

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "1.2. Chemické väzby 10"

Miroslav Tábor
před 7 lety
Počet zobrazení:

1 1.2. hemické väzby rganické zlúčeniny ako kyseliny a zásady Kyseliny a zásady predstavujú typ chemických zlúčenín, ktoré sú charakteristické svojou štruktúrou a platia pre ne určité zákonitosti bez ohľadu na to, či sú to zlúčeniny anorganické alebo organické. rganické kyseliny a zásady sú charakterizované tým, že sú to zlúčeniny uhlíka. Základné definície: Teória Brönstedta a Lowryho ( B kyseliny a zásady): Kyselina je zlúčenina (častica), ktorá dokáže odštiepiť katión vodíka, zásada je zlúčenina (častica), ktorá dokáže prijať katión vodíka. ( Katión vodíka je vodíkový atóm bez elektrónu, teda protón ). K prenosu protónu dochádza pri chemickej reakcii, ktorej hovoríme acidobázická reakcia. Reaguje pri nej kyselina so zásadou a prenosom protónu vznikne iná kyselina a iná zásada: 3 2 kyselina 1 Na zásada Na zásada 2 kyselina 2 Bzásada, ktorá vznikne odštiepením protónu z Bkyseliny sa nazýva konjugovaná zásada. V našom príklade je zásada 2 konjugovanou zásadou kyseliny 1 a zásada 1 konjugovanou zásadou kyseliny 2. V reakčnej schéme sú šipkou vyznačené príslušné dvojice: kyselina so svojou konjugovanou zásadou. Lewisova teória ( Lkyseliny a zásady): Kyselina je zlúčenina (častica), ktorá dokáže vytvoriť kovalentnú väzbu prijatím cudzieho elektrónového páru, zásada je zlúčenina (častica), ktorá dokáže vytvoriť kovalentnú väzbu poskytnutím svojho elektrónového páru. Acidobázickou reakciou je vytvorenie kovalentnej väzby medzi Lkyselinou a Lzásadou. 3 2 F 3 2 F B F B F 3 2 F 3 2 F Lzásada Lkyselina rganické kyseliny a zásady sa správajú podľa týchto dvoch teórií. Lewisova teória je všeobecnejšia ako BroenstedtovaLowryho, nie je obmedzená len na prenos protónu. Protón v Lewisovej teórii predstavuje Lkyselinu:

2 1.2. hemické väzby Lzásada Lkyselina tázka: Je kyselina octová kyselinou alebo zásadou? dpoveď: Na takto položenú otázku sa nedá jednoznačne odpovedať. Podľa BL teórie dochádza pri acidobázickej reakcii k prenosu protónu. Ak necháme kyselinu octovú reagovať s Na správa sa ako Bkyselina a poskytne protón Bzásade: 3 kyselina 1 Na 3 Na zásada 1 zásada 2 kyselina 2 Keď kyselina octová reaguje s koncentrovanou kyselinou sírovou, správa sa ako Bzásada a Bkyselinou je kyselina sírová: S 3 3 S kyselina 1 zásada 1 kyselina 2 zásada 2 Tento príklad ukázal potrebu definovať aj kvantitatívnu silu kyselín a zásad, aby sa dalo pri acidobázickej reakcii v zmysle BL teórie posúdiť, ktorá zlúčenina bude kyselinou a ktorá zásadou. Takouto mierkou sily kyselín je pk a hodnota, kde K a je rovnovážna konštanta disociácie kyseliny: A K a A [ ] [ A ] pk K a = a = log K a [A] Logaritmické vyjadrenie sa používa kvôli názornosti. Čím je menšia hodnota pk a, tým je kyselina silnejšia, teda tým ľahšie (ochotnejšie) disociuje na a príslušnú konjugovanú zásadu.. Niektoré veľmi silné kyseliny môžu mať aj záporné hodnoty pk a. V horeuvedenom príklade je pk a hodnota kyseliny sírovej 5,2 a pk a hodnota kyseliny octovej 4,8. Pri ich vzájomnej reakcii teda kyselinou bude 2 S 4 a zásadou kyselina octová. Treba si uvedomiť, že rozdiel v hodnotách pk a o 1 znamená desaťnásobnú zmenu kyslosti. Ako sme už definovali, pod organickými kyselinami rozumieme zlúčeniny, ktoré v molekule obsahujú uhlík. Pritom odštepujúci sa protón býva naviazaný na rôzne atómy, ktoré sú elektronegatívnejšie ako vodík. Čím väčší je rozdiel elektronegativít medzi vodíkom a

3 1.2. hemické väzby 12 atómom, kde je vodík viazaný, tým je kyselina silnejšia. odnoty pk a nasledujúcich zlúčenín to dokazujú: 4 48 N F 3.5 R 3 45 RN 2 35 R 18 V nasledujúcej schéme sú príklady rôznych typov organických B kyselín: N 3 S kys. propánová etanol fenol metántiol amid kys.octovej etán V Tabuľke 2 sú uvedené pk a hodnoty vybraných Bkyselín (väčšinou organických, niektoré anorganické kyseliny sú zaradené pre porovnanie): Tabuľka 2: odnoty pka vybraných kyselín Kyselina Zásada pka Kyselina Zásada pka l 4 l 4 10 R 2 R 2 16,0 I I 10 R 2 R 2 16,5 2 S 4 S 4 9 R 3 R 3 17,0 Br Br 9 RN 2 RN 17,0 l l 7 Ind Ind 20,0 (N) 3 N 3 N 3 (N)3 5 Flu Flu 23,0 1,4 Ph 2 N Ph 2 N 25,00 F F 3,2 25,0 R R 4 5 PhN 2 PhN 30, ,4 Ar 3 Ar 3 31,5 2 S S 7,0 Ar 2 2 Ar 2 33,5 ArS ArS ,0 N N 9,2 Pr i 2N Pr i 2N 36,0 Ar Ar 8 11 N 3 N 2 R 2 N 2 R N 2 10 Ph 3 Ph 2 RS RS Ph Ph 43,0 N 2 N N N 2 = 2 2 = 44, , , p p 16, ,0 38,0 41,0 48,0 50,0 Ar = aromatický systém R = alifatický reťazec Ph = fenyl p = cyklopentadién Ind = indán Flu = fluorén

4 1.2. hemické väzby 13 Z tabuľky vidieť, že najslabšími kyselinami sú nasýtené uhľovodíky, čo vyplýva z toho, že väzba je málo polárna a disociácia na a príslušnú konjugovanú zásadu je málo pravdepodobná. Na acidobázickú reakci sa môžeme pozerať ako na rovnovážnu reakciu, ktorá je posunutá vľavo alebo vpravo podľa hodnôt pka oboch kyselín, ktoré sa nachádzajú na ľavej a pravej strane chemickej rovnice: Rovnováhy 50 15,7 3 3 Na 3 2 Na 4,8 15,7 3 Na 3 Na Na hodnotách pk a sa dajú veľmi pekne demonštrovať elektrónové efekty atómov a skupín. rganické zlúčeniny, ktoré nesú priamo vo svojom názve slovo kyselina sú R karboxylové kyseliny, zlúčeniny, ktoré majú štruktúru. Nasledujúci príklad demonštruje vplyv skupiny R na silu karboxylových kyselín: 3 l 3 4, 76 0, 70 3, 75 odnota pk a kyseliny octovej ( 3 ) je 4.76 a kyseliny mravčej () 3.75, teda, kyselina mravčia je desaťkrát kyslejšia. Je to spôsobené tým, že skupina 3 pôsobí I efektom a znižuje polaritu väzby. Naopak skupina l 3 v kyseline trichlóroctovej svojím silným I efektom polaritu väzby veľmi zvýši, čo sa prejaví zvýšenou kyslosťou ( pk a = 0.70). Indukčný efekt alkylových skupín sa prejaví aj na hodnotách pk a alifatických alkoholov. Zatiaľčo I efekt etylu spôsobí, že etanol je o niečo slabšou kyselinou ako voda, rozvetvené alkyly majú I efekt väčší a pka hodnoty izopropylalkoholu a tercbutylalkoholu svedčia, že rozvetvenie reťazca spôsobuje zníženie kyselosti. Naopak rastie bázicita príslušných konjugovaných zásad a napr. tercbutoxidový anión sa v organickém chémii používa ako silná zásada.

5 1.2. hemické väzby 14 Substitúcia vodíkov negativnými atómami fluóru vnáša do molekuly I efekt a príslušné fluorované alkoholy sú silnými kyselinami. kyselina zásada pk a , , ,9 15,7 F 3 2 F ,4 F 3 F 3 F 3 F 3 5,4 F 3 F 3 Už sme spomínali, že väzby sú málo polárne a nasýtené uhľovodíky sú preto najslabšími známymi kyselinami. Zmena hybridizácie uhlíka spôsobí zmenu jeho elektronegativity. Uhlík môže mať hybridizáciu sp 3, sp 2 a sp. Platí, že čím väčší je podiel s orbitálu v hybridizácii, tým elektronegatívnejší je uhlík (toto sa dá zovšeobecniť aj na iné typy atómov). Najkyslejší bude teda vodík viazaný na sphybridizovaný uhlík. Svedčia o tom hodnoty pk a uhľovodíkov: = 2 44 benzén Polaritu väzieb ovplyvnia aj skupiny so silným I efektom, ktoré sú na uhlík naviazané. Podľa ich počtu a sily I efektu dokážu značne zvýšiť polaritu väzby. V nasledujúcej tabuľke sú ukážky takýchto štruktúrnych typov a ich pka hodnoty. 24,5 R 2 R' RR' N 2 3 N 2 19 R 2 = 13 Et 2 Et 11 N 2 N R= NN EtEt 9 Me 2 Me MeMe 5 = 2 = == 5 NN NN N N Ďalším zaujímavým efektom, ktorý uľahčí odštiepenie z uhlíka je možnosť vytvorenia aromatického systému. Vzniknutý voľný elektrónový pár sa delokalizuje v stabilnom aromatickom systéme:

6 1.2. hemické väzby 15 2 odnoty pk a uhľovodíkov, ktoré odštiepením vedú k aromatickým aniónom kvantitatívne popisujú tento efekt. Šipka ukazuje atóm uhlíka z ktorého sa odštepuje. Fluoradén je asi najkyslejší známy uhľovodík. fluorén cyklopentadién Flu p 23 indén 16 fluoradén 20 Ind 11

Podobné dokumenty

SLOVENSKÁ KOMISIA CHEMICKEJ OLYMPIÁDY CHEMICKÁ OLYMPIÁDA. 51. ročník, školský rok 2014/2015 Kategória C. Krajské kolo

SLOVENSKÁ KOMISIA CHEMICKEJ OLYMPIÁDY CHEMICKÁ OLYMPIÁDA 51. ročník, školský rok 2014/2015 Kategória C Krajské kolo RIEŠENIE A HODNOTENIE TEORETICKÝCH ÚLOH RIEŠENIE A HODNOTENIE ÚLOH Z ANORGANICKEJ, VŠEOBECNEJ