عوامل موثر بر قدرت اسید و باز — به زبان ساده

در بحث‌های قبلی مجله فرادرس در خصوص قدرت اسید صحبت کردیم. در ادامه قصد داریم تا به بررسی عوامل موثر بر قدرت اسید و باز بپردازیم. در حقیقت، قصد داریم تا از دانش خود در خصوص ساختارهای آلی برای درک واکنش‌پذیری در ترکیبات آلی استفاده کنیم.

اثرات ساختاری بر قدرت اسید و باز

برای بررسی قدرت اسید و باز باید عوامل مختلفی را بررسی کنیم. این عوامل در زیر آورده شده‌اند:

فیلم آموزش شیمی تجزیه 1 + نکات کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

• روندهای تناوبی
• اثر رزونانس
• اثر القایی
• اثر هیبریداسیون

این عوامل را در ادامه مورد بررسی قرار خواهیم داد:

روندهای تناوبی

در ابتدا، اتم‌ها را جداگانه بررسی می‌کنیم و روندهای تناوبی مرتبط با محل آن‌ها در جدول تناوبی را مورد بررسی قرار خواهیم داد. همچنین،‌ از ترکیبات ساده آلی همچون اتان، متیل‌آمین و اتانول بهره می‌گیریم. البته این مفهوم را می‌توان در خصوص مولکول‌های زیستی پیچیده‌تر مانند زنجیره جانبی آمینو اسیدها نیز بکار برد. تصویر زیر، تاثیر روندهای تناوبی بر قدرت اسید و باز را نشان می‌دهد:

در این تصویر، روند مشخصی را در خصوص قدرت اسیدی پیدا می‌کنیم به گونه‌ای که با حرکت از چپ به راست در طول تناوب دوم، قدرت اسیدی از کربن به نیتروژن و سپس اکسیژن، افزایش پیدا می‌کند. برای درک بهتر این روند باید باز مزدوج هر یک از این ترکیبات آلی را بررسی کنیم. هر قدر باز پایدارتر (ضعیف‌تر) باشد، اسید قوی‌تری خواهیم داشت. به بار منفی در هر باز مزدوج توجه کنید. در باز مزدوج اتان، بار منفی بر روی اتم کربن ایجاد شده است در حالیکه در باز مزدوج متیل‌آمین و اتانول، بار منفی به ترتیب بر روی نیتروژن و اکسیژن قرار دارد. همانطور که در خصوص روندهای تناوبی می‌دانیم، با حرکت از سمت چپ به راست در جدول تناوبی، الکترونگاتیوی افزایش پیدا می‌کند. در نتیجه، اکسیژن، بیشترین الکترونگاتیوی را در بین این عناصر دارد.

بنابراین، آنیون متواکسید، پایدارترین ترکیب بین این سه باز مزدوج خواهد بود و آنیون اتیل کربانیون،‌ کمترین پایداری را دارد. همچنین، اتانول، قوی‌ترین و اتان، ضعیف‌ترین اسید است. نکته قابل توجه این است که هرقدر الکترونگاتیوی یک اتم بیشتر باشد، توانایی بیشتری برای پذیرش بار منفی دارد. بازهای ضعیف‌تر، بار منفی را بر روی اتم‌های الکترونگاتیوتر دارند در حالیکه در بازهای قوی، بار منفی بر روی اتم با الکترونگاتیوی کمتر است.

قدرت اسید و باز در جدول تناوبی

با حرکت در بین گروه‌های جدول تناوبی نیز می‌توان قدرت اسید و باز را بررسی کرد. این روند را به خوبی می‌توان در خصوص «هالواسیدها» (Haloacids) و یون‌های هالید مشاهده کرد.

همچون الکترونگاتیوی، خاصیت بازی نیز با حرکت از بالا به پایین، کاهش پیدا می‌کند. به عکس، خاصیت اسیدی در هالواسیدها، در هر گروه از بالا به پایین افزایش می‌یابد.

بار دیگر برای این‌که این روند را بهتر درک کنیم، پایداری باز مزدوج را در نظر می‌گیریم. از آن‌جایی که اتم فلوئور، الکترونگاتیوترین هالوژن به شمار می‌آید، انتظار داریم که فلوراید نیز کمترین خاصیت بازی را در بین یون‌های هالوژن داشته باشد. اما در حقیقت، این یون، کمترین پایداری و در نتیجه، بیشترین خاصیت بازی را دارد. زمانی که به طور عمودی در جدول تناوبی حرکت کنیم، شعاع اتمی از بالا به پایین افزایش پیدا می‌کند و بار منفی، به حجم بیشتری اختصاص پیدا می‌کند. به همین دلیل، در مقایسه بین اتم‌های ید و فلوئور، با توجه به اینکه شعاع اتمی ید،‌ تقریبا دو برابر فلوئور است، این اتم، باز ضعیف‌تری خواهد بود.

این امر یک مفهوم اساسی را در شیمی آلی بیان می‌کند: بارهای الکتریکی مثبت یا منفی، زمانی که در حجم بیشتری پخش شوند، پایدارتر خواهند بود.

چنین مفهومی به طور متناوب در متون علمی شیمی آلی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در اینجا، این مفهوم را تنها در خصوص تاثیر شعاع اتمی بر قدرت بازی در نظر می‌گیریم. با توجه به این‌که فلوراید، بیشترین خاصیت بازی را در بین بازهای مزدوج هالیدی دارد، اسید HF نیز،‌ کمترین خاصیت اسیدی را خواهد داشت و اسیدی ضعیف به شمار می‌آید و تنها قدری از یک کربوکسیلیک اسید قوی‌تر است. این در حالیست که HI با $$pK_a = - 9$$ را به عنوان یک اسید قوی همچون سولفوریک اسید در نظر می‌گیرند.

در بررسی مولکول‌های آلی، این روند بیان می‌کند که تیول‌ها، اسیدی‌تر از الکل‌ها هستند. به طور مثال، مقدار $$pK_a$$ گروه تیول در زنجیر جانبی «سیستئین» (Cysteine)، در حدود 8/3 است در حالیکه $$pK_a$$ در زنجیر جانبی «سرین» (Serine)، مقداری در حدود 17 دارد.

بررسی قدرت اسید و باز در واکنش‌های شیمیایی

واکنش زیر را بین هیدروکلریک اسید و یون فلوراید در نظر بگیرید:

فیلم آموزش مقدماتی شیمی تجزیه دستگاهی در فرادرس

کلیک کنید

$$H Cl + F ^ - \rightarrow H F + Cl ^ -$$

می‌دانیم که $$HCl$$ از $$HF$$ قوی‌تر است و در نتیجه با توجه به مباحثی که در خصوص قدرت اسید و ثابت تفکیک اسید مطرح شد، به این نتیجه می‌رسیم که تعادل به سمت تولید فرآورده خواهد بود. می‌دانیم که یون کلرید،‌ از فلوراید پایدارتر است. همین امر نیز دلیلی بر جهت پیشرفت واکنش به سمت تولید فرآورده به شمار می‌آید چراکه در این واکنش، از یون با پایداری کم، به یون با پایداری بیشتر حرکت می‌کنیم. عامل دیگری که علاوه بر پایداری اجزا باید در نظر بگیریم، «انرژی پیوند کل» (Total Bond Energy) است. با مراجعه به جدول انرژی‌های پیوند، در می‌یابیم که انرژی پیوند $$H - F (570 k J /m o l)$$، قوی‌تر از انرژی پیوند $$H - C l (432 k J /m o l)$$ ذکر می‌شود. در حقیقت، واکنش به طرفی خواهد بود که از یک پیوند ضعیف، به پیوندی قوی‌تر برسیم.

جمع‌بندی روندهای تناوبی در قدرت اسید و باز

قدرت یک اسید (HA)، به قدرت پیوند $$H-A$$ بستگی دارد. در هر گروه جدول تناوبی از بالا به پایین، قدرت پیوند کاهش پیدا می‌کند. با توجه به این‌که قدرت پیوند به طور معکوس با خاصیت اسیدی ارتباط دارد. قدرت اسیدهای شامل هالوژن روند زیر را دنبال می‌کنند:

$$\begin{equation} \mathrm{H F } <\; \mathrm{ H C l }<\;mathrm{ H B r }<\;mathrm{ H I } \end{equation}$$

در هر تناوب از چپ به راست، خاصیت اسیدی افزایش پیدا می‌کند. این روند را می‌توان به صورت زیر نشان داد:

$$\begin{equation} \mathrm{ C H } _ { 4 } <\; \mathrm{ N H } _ { 3 }<\;mathrm{ H } _ { 2 } \mathrm{ O } <\; \mathrm { H F } \end{equation}$$

این روند بیانگر تغییر پایداری بار منفی با الکترونگاتیوی اتم باز مزدوج است. به همین شکل، افزایش قدرت باز مزدوج را هم می‌توان به صورت زیر بیان کرد:

$$\begin{equation} \mathrm{ F } ^ { - } <\;mathrm{O H } ^ { - } <\;mathrm{N H }_ { 2 } ^ { - } <\; \mathrm{ C H } _ { 3 } ^ { - } \end{equation}$$

بسیاری از ترکیبات آلی، به لحاظ ساختاری با اسیدها و بازهای معدنی مرتبط هستند. از اینرو، قدرت اسید و باز را می‌توان با مقایسه اسید آلی با اسید معدنی مشابه، پیش‌بینی کرد. می‌دانیم که سولفوریک اسید، نوعی اسید قوی به شمار می‌آید. بنابراین، انتظار داریم متان سولفونیک اسید نیز، یک اسید قوی باشد چراکه پیوند $$O-H$$ دارد و به لحاظ ساختاری، مشابه با پیوند $$O-H$$ در سولفوریک اسید است.

این مقایسه را می‌توان در خصوص بازها نیز انجام داد. به طور مثال، می‌دانیم که آمونیاک، یک باز ضعیف است. بنابراین، انتظار داریم اتیل آمین با فرمول $$C H _ 3 C H _ 2 N H _ 2$$ که ساختاری مشابه با آمونیاک دارد نیز، یک باز ضعیف باشد.

تاثیر رزونانس بر قدرت اسید و باز

در بخش قبل بر روندهای تناوبی و تاثیر آن‌ها بر قدرت اسید و باز تمرکز کردیم یعنی جایی که پروتون‌ها، به عناصر مختلف پیوند داشتند. در این بخش، به ساختارهای گروه‌های آلی مختلفی خواهیم پرداخت که به بازها و اسیدها و قدرت نسبی اسیدی و بازی در آن‌ها اختصاص دارند.

فیلم آموزش شیمی عمومی – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

اولین مدل، اتانول و استیک اسید است اما این مدل را می‌توان برای تمامی الکل‌ها و کربوکسیلیک اسیدها تعمیم داد.