Kötéserősség, anionok mérete, kötési energia

Vegyünk egy HX összetételű egyszerű savat, ahol az X halogénatomot jelent. Az X tehát lehet fluor, klór, bróm vagy jód. Ha a HX leadja ezt a protont, akkor átalakul a konjugált bázisává, aminek a jele X⁻. Amint azt az előző videóban láttuk, minél stabilabb a konjugált bázis, annál könnyebben ad le protont a HX. Minél stabilabb tehát a konjugált bázis, annál erősebb a sav. Erre a négy egyszerű savra tekintve azt látjuk, hogy a hidrogén-fluorid esetében a pKₐ [magyarul pKₛ] értéke körülbelül +3, a hidrogén-klorid esetében körülbelül –7, a hidrogén-bromid esetében –9, a hidrogén-jodidéban pedig –10. Tudjuk, hogy minél kisebb a pKₐ értéke, annál erősebb a sav. Lefelé haladva tehát a pKₐ értékek egyre csökkennek, így a savak erőssége egyre növekszik. A savasság egyre fokozódik. Így a hidrogén-jodid a legerősebb sav e négy sav közül, mivel a hidrogén-jodid pKₐ értéke a legkisebb. Ha a hidrogén-jodid a legerősebb sav, akkor a hozzá tartozó konjugált bázisnak kell a legstabilabbnak lennie. A hidrogén-jodid konjugált bázisa a jodidion, amelynek jele I⁻. Itt látható mindegyik konjugált bázis. Ez a fluoridanion, a hidrogén-fluorid konjugált bázisa. Ez a kloridanion, a hidrogén-klorid konjugált bázisa. Ez a bromidanion, a hidrogén-bromid konjugált bázisa. És persze itt van a jodidanion, a hidrogén-jodid konjugált bázisa. A jodidanionnak kell a legstabilabbnak lennie, mivel a hidrogén-jodid a legerősebb sav. A konjugált bázis stabilitása magyarázható az ion mérete alapján. Emlékszel? A csoportokban lefelé haladva a periódusos rendszerben az anionok mérete növekszik. Most már aniont írok ide az ion helyett. Tehát egyre növekszik az anionok mérete. Miért segíti ez abban, hogy a konjugált bázis stabil legyen? Vegyük számításba ezt a negatív töltést. A jodidanionban van egy negatív töltés, és ez a töltés nagy térfogatban oszlik el. Ez teszi stabilabbá az aniont. Ne feledd, hogy az elektronok taszítják egymást, de ha a negatív töltés nagy térrészre terjedhet ki, akkor könnyebben stabilizálódik. Ez tehát stabilabb, mint például a fluoridanion. A fluoridanion negatív töltése kicsiny térfogatban összpontosul, ami destabilizálja ezt az aniont a jodidanionhoz képest. A jodidion válik a legstabilabbá, így a HI az, amelyik a legkönnyebben képes leadni egy protont, így a HI a legerősebb sav ebből a négyből. Figyelj arra, hogy ez más, mint ami az előző videóban volt, ahol az elektronegativitásról beszéltünk. Ott olyan elemeket hasonlítottunk össze, amelyek a periódusos rendszer azonos periódusában vannak. Akkor vízszintesen haladtunk a periódusos rendszerben. Abban a videóban a fluoridanion bizonyult a legstabilabbnak, mert a fluor elektronegativitása a legnagyobb, így az lesz az, amelyik leginkább képes stabilizálni egy negatív töltést. Ám ahogy lefelé haladunk a periódusos rendszer egy csoportjában, az elektronegativitás értéke csökken. Ez nem lehet a meghatározó trend, mert ha az elektronegativitás lefelé haladva csökken, csupán az elektronegativitás alapján azt várhatnánk, hogy a HF a legerősebb sav, ez viszont nem felel meg a tapasztalatoknak. A periódusos rendszer csoportjaiban lefelé haladva az anionok mérete az, ami meghatározza a konjugált bázis stabilitását. Vagyis minél nagyobb az anion, annál jobban képes stabilizálni a negatív töltést, így annál stabilabb a konjugált bázis. Minél stabilabb a konjugált bázis, annál könnyebben ad le protont a HX, azaz annál erősebb a sav. Egy másik nagyon fontos tényező a kötés erőssége. Korábban már mondtuk, hogy a hidrogén-jodid a legerősebb sav, amelynek a legkisebb a pKₐ értéke. Tehát ennek a kötésnek kell annak lennie, amelyiket a legkönnyebb felszakítani. Ha ezt a kötést könnyű felszakítani, akkor ez a proton könnyen leadható. Így a kötéserősségek ezekben az egyszerű savakban a kötések kialakulását kísérő energiaváltozások alapján határozhatók meg. Ezeket kötési energiának vagy kötési entalpiának is nevezik. Emlékezz vissza, hogy a disszociációs energia az az energiamennyiség, amely a kötés felszakításához szükséges, gáz halmazállapotú részecskékben. Ezeknek a hidrogén-halogenideknek az esetében a kötéseket vizsgálva figyeljük meg a kötési energiák alakulását. Azt a kötést a legnehezebb felszakítani, amelyik a hidrogént és a fluort köti össze. Ennek a kötésnek a felszakításához szükséges a legnagyobb energia. Lefelé haladva pedig csökken a disszociációs energia. Mindössze 299 kilojoule/mól energia szükséges a H és a I közötti kötés felszakításához. Jelzem, hogy ezek a kötési energiák közelítő értékek, többféle különböző értékkel találkozhatsz különböző tankönyvekben. Ha tehát a H-I kötést a legkönnyebb felszakítani, akkor a savakra vonatkozóan ez az jelenti, hogy ezt a kötést a legkönnyebb felszakítani, tehát ez ad le legkönnyebben protont, így ennek a legkisebb a pKₐ értéke. A hidrogén-jodid a legerősebb sav e négy egyszerű sav közül.