Starke Säuren, Supersäuren und die stärkste Säure der Welt

Säuren sind viel häufigere Substanzen, als vielen Menschen bewusst ist. Sie sind an allen möglichen Orten vorhanden, von der Nahrung, die wir essen, den Flüssigkeiten, die wir trinken, den Batterien, die unsere Geräte mit Strom versorgen, und mehr. Säuren sind nicht nur allgegenwärtig, sondern auch sehr vielfältig, was ihre Eigenschaften betrifft, deren wichtigste übrigens und gerade ihr Säuregehalt ist. In den folgenden Abschnitten werden wir das Konzept der Säure aus verschiedenen Blickwinkeln betrachten, wir werden definieren, was starke Säuren sind, und wir werden auch Beispiele für die stärksten Säuren sehen, die der Wissenschaft bekannt sind.

Was ist eine Säure?

Es gibt verschiedene Konzepte von Säuren und Basen. ^{Sowohl nach Arrhenius als auch nach Bromsted und Lowry ist eine Säure jede chemische Substanz, die in der Lage ist, Protonen (H +} -Ionen) in Lösung freizusetzen . Obwohl dieses Konzept für die große Mehrheit der Verbindungen, die wir als Säuren betrachten, angemessen ist, ist es für andere Substanzen unzureichend, die sich wie Säuren verhalten und Lösungen mit saurem pH-Wert erzeugen, die aber trotzdem nicht einmal Wasserstoffkationen aufweisen in ihnen seine Struktur.

In Anbetracht dessen ist das breiteste und am weitesten verbreitete Konzept der Säure das der Lewis-Säuren, wonach eine Säure jede chemische Substanz ist, der es an Elektronen mangelt (im Allgemeinen mit einem unvollständigen Oktett), die in der Lage ist, ein Elektronenpaar pro Teil von a aufzunehmen base , wodurch eine dative oder koordinative kovalente Bindung gebildet wird. Dieses Konzept ist viel allgemeiner als die anderen, da es uns erlaubt, das Konzept von Säuren und Basen über die uns gewohnten wässrigen Lösungen hinaus zu erweitern.

Wie wird der Säuregehalt gemessen?

Wenn wir über starke und schwache Säuren sprechen wollen, müssen wir eine Möglichkeit haben, die relative Stärke von Säuren zu messen, das heißt, wir müssen in der Lage sein, ihren Säuregehalt zu messen, um sie vergleichen zu können. In wässrigen Lösungen wird der Säuregehalt anhand der Fähigkeit gemessen, Hydroniumionen in Lösung zu erzeugen, entweder durch direkte Abgabe von Protonen an Wassermoleküle:

oder durch Koordination von Wassermolekülen, die den Verlust eines Protons an ein zweites Wassermolekül bewirken:

In beiden Fällen handelt es sich um reversible Reaktionen, die mit einer Ionengleichgewichtskonstante verbunden sind, die als Säuredissoziationskonstante oder Aciditätskonstante ( K _a ) bezeichnet wird. Der Wert dieser Konstante oder ihr negativer Logarithmus, genannt pK _a , wird oft als Maß für die Acidität einer Säure verwendet. In diesem Sinne ist eine Säure umso stärker, je höher der Wert der Säurekonstante (oder je niedriger der Wert ihres pK _a ) ist und umgekehrt.

Eine andere, ähnliche, wenn auch etwas direktere Art, den Säuregrad zu messen, ist die experimentelle Messung des pH-Werts von Lösungen verschiedener Säuren, jedoch mit der gleichen molaren Konzentration. Je niedriger der pH-Wert, desto saurer die Substanz.

Die Acidität von Supersäuren

Obwohl die obigen Methoden zur Messung des Säuregehalts für Säuren in wässrigen Lösungen geeignet sind, sind sie nicht nützlich für Fälle, in denen Säuren in anderen Lösungsmitteln (insbesondere aprotischen oder Nicht-Wasserstoff-Lösungsmitteln) gelöst sind, oder viel außer im Fall von reinen Säuren. Außerdem haben Wasser und andere Lösungsmittel einen sogenannten Säurenivellierungseffekt, der dazu führt, dass sich alle Säuren ab einem bestimmten Säuregrad in Lösung gleich verhalten.

Um diese Schwierigkeit zu überwinden, dass alle starken Säuren in wässriger Lösung den gleichen Säuregehalt haben, wurden andere Wege zur Messung des Säuregehalts entwickelt. Zusammengenommen werden diese Säurefunktionen genannt, wobei die gebräuchlichste die Hammett- oder H ₀ -Säurefunktion ist . Diese Funktion ähnelt im Konzept dem pH-Wert und stellt die Fähigkeit einer Bromsted-Säure dar, eine sehr schwache generische Base wie 2,4,6-Trinitroanilin zu protonieren, und ist gegeben durch:

In diesem Fall ist pK _HB+ der negative Logarithmus der Säurekonstante der konjugierten Säure der schwachen Base, wenn sie in der reinen Säure gelöst ist, [B] ist die molare Konzentration der unprotonierten Base und [HB + ] ist die ^{Konzentration} von seine konjugierte Säure. Je niedriger das H ₀ , desto höher der Säuregehalt. Als Referenz hat Schwefelsäure einen Hammett-Funktionswert von -12.

starke Säuren und schwache Säuren

Als starke Säuren gelten alle, die in wässriger Lösung vollständig dissoziieren. Mit anderen Worten, sie sind diejenigen, für die die Dissoziation in Wasser ein irreversibler Prozess ist. Andererseits sind schwache Säuren solche, die in Wasser nicht vollständig dissoziieren, da ihre Dissoziation reversibel ist und sie eine relativ niedrige Säurekonstante aufweisen.

Die Supersäuren

Neben starken Säuren gibt es auch Supersäuren. Das sind alle jene Säuren, die stärker sind als reine Schwefelsäure. Diese Säuren sind so stark, dass sie sogar Substanzen protonieren können, die wir normalerweise als neutral ansehen, und sie können sogar andere starke Säuren protonieren.

Liste gängiger starker Säuren

Die häufigsten starken Säuren sind:

• Schwefelsäure (H ₂ SO ₄ , nur die erste Dissoziation)
• Salpetersäure (HNO ₃ )
• Perchlorsäure (HClO ₄ )
• Salzsäure (HCl)
• Jodwasserstoffsäure (HI)
• Bromwasserstoffsäure (HBr)
• Trifluoressigsäure (CF ₃ COOH)

Es gibt einige weitere Beispiele für starke Säuren, aber die meisten Säuren sind schwach.

Fluorantimonsäure: Die stärkste Säure der Welt

Die stärkste bekannte Säure ist eine Supersäure namens Fluorantimonsäure mit der Formel HSbF ₆ . Es wird durch Umsetzung von Antimonpentafluorid (SbF ₅ ) mit Fluorwasserstoff (HF) hergestellt.

Diese Reaktion erzeugt das sechsfach koordinierte Ion [SbF ₆ ^– ], das aufgrund mehrerer Resonanzstrukturen, die die negative Ladung über 6 Fluoratome verteilen und stabilisieren, das das elektronegativste Element im Periodensystem ist, extrem stabil ist.

In Bezug auf den Säuregehalt hat diese Säure einen Hammett-Säurefunktionswert zwischen –21 und –24, was bedeutet, dass diese Säure zwischen 10 9 und 10 12 mal saurer ist als reine Schwefelsäure (denken Sie daran, dass die Hammett-Säurefunktion eine logarithmische ^{Funktion ist} , also jede Änderung um eine Einheit impliziert eine Änderung um eine Größenordnung).

Liste anderer Supersäuren

• Trifluormethansulfonsäure oder Trifluormethansulfonsäure (CF ₃ SO ₃ H)
• Fluorsulfonsäure (FSO ₃ H)
• Magische Säure (SbF5)-FSO ₃ H

Verweise

Brønsted-Lowry-Supersäuren und die Hammett-Säurefunktion. (2021, 4. Oktober). https://chem.libretexts.org/@go/page/154234

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