5.5 : Molekulare Struktur und Säure

Eine Säure kann deprotoniert werden, um eine konjugierte Base oder ein Anion zu bilden. Wenn das erzeugte Anion stabiler ist, ist die Säure stärker. Ist das Anion dagegen instabil, ist die Säure schwächer. Um den Säuregehalt der Verbindung zu bestimmen, wird daher die Stabilität ihrer konjugierten Base anhand verschiedener Faktoren untersucht.

Der Größeneffekt erklärt die Änderung der Atomgröße in Abhängigkeit vom Säuregehalt. Beim Vergleich der Säuren, die aus Elementen gebildet werden, die zur gleichen Spalte des Periodensystems gehören, werden ihre Atomgrößen verglichen. Verbindungen, die ein Element mit größerer Atomgröße enthalten, können eine negative Ladung besser stabilisieren, indem sie sie über ein größeres Raumvolumen verteilen. Daher entsprechen diese Verbindungen der stärkeren Säure.

Betrachten Sie außerdem Verbindungen, die mit Elementen gebildet werden, die zur gleichen Zeile im Periodensystem gehören. In solchen Fällen bestimmt die Elektronegativität des Elements den Säuregehalt. Das elektronegativere Element bildet das stabile Anion, das der stärkeren Säure entspricht. Dies wird als Ladungseffekt bezeichnet.

Vergleicht man die Verbindungen mit der negativen Ladung an einem ähnlichen Atom, bestimmt ein weiterer Faktor, Resonanz genannt, den Säuregehalt. Die Verbindung mit stabilisierenderen Resonanzstrukturen ist saurer. Um den Säuregehalt von Verbindungen mit gleichem Resonanzanteil zu bestimmen, wird der Induktionseffekt analysiert. Bei diesem Effekt wird das Vorhandensein elektronegativer Elemente in unterschiedlichen Abständen genutzt, um die Stärke der Säure zu bestimmen. Die Verbindung mit einem elektronegativen Element, das näher am sauren Wasserstoff liegt, wird als saurer eingestuft.

Die Hybridisierung wird verwendet, um die Azidität in Verbindungen ohne Resonanz, ohne elektronegative Elemente und mit negativer Ladung an einem ähnlichen Atom, wie beispielsweise einem Alkan, Alken und Alkin, zu analysieren. In einem Alkin hat das Kohlenstoffatom ein sp-Orbital mit 50 % s-Charakter. In einem Alken hat das Kohlenstoffatom einen s-Charakter von 33,3 % in seinem sp2-Orbital und der Kohlenstoff mit einer Einfachbindung hat einen s-Charakter von 25 % in seinem sp3-Orbital. Ein höherer s-Charakter bedeutet, dass sich die Elektronen näher am Kern befinden. Daher kann die negative Ladung der konjugierten Base stärker stabilisiert werden, wodurch Alkine im Vergleich zu Alkenen oder Alkanen am sauersten sind.

Molecular Structure and Acidity

An acid can be deprotonated to form a conjugate base or an anion. If the produced anion is more stable, then the acid is stronger. On the contrary, if the anion is unstable, then the acid is weaker. Hence, to determine the acidity of the compound, the stability of its conjugate base is studied using various factors.

The size effect explains the change in atomic size on acidity. When comparing the acids formed from elements that belong to the same column in the periodic table, their atomic sizes are compared. Compounds, which contain an element with a larger atomic size can stabilize a negative charge better by spreading it over a larger space volume. Hence, these compounds correspond to the stronger acid.

Further, consider compounds formed with elements that belong to the same row in a periodic table. In such cases, the electronegativity of the element dictates the acidity. The more electronegative element forms the stable anion that corresponds to the stronger acid. This is called the charge effect.

If the compounds having the negative charge on a similar atom are compared, another factor, called resonance, determines the acidity. The compound with more stabilizing resonance structures is more acidic. To determine the acidity of compounds having an equal amount of resonance, the induction effect is analyzed. In this effect, the presence of electronegative elements at varying distances is used to identify the strength of the acid. The compound with an electronegative element closer to the acidic hydrogen is determined more acidic.

Hybridization is used to help analyze the acidity in compounds with no resonance, no electronegative elements, and with the negative charge on a similar atom, as, for example, an alkane, alkene, and alkyne. In an alkyne, the carbon atom has an sp orbital with a 50 % s character. In an alkene, the carbon atom has a 33.3 % s character in its sp_2 orbital, and the carbon with a single bond has a 25 % s character in its sp_3 orbital. A higher s character means that electrons are closer to the nucleus. Therefore the negative charge of the conjugate base can be more stabilized, making alkynes the most acidic compare to an alkene or alkane.