Номер 222, страница 57 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

2.222. Расположите следующие соединения в порядке увеличения кислотности. Ответ обоснуйте.

${\mathrm{Н}}_2\mathrm{O}, {\mathrm{СН}}_4, {\mathrm{NH}}_3, {\mathrm{С}}_2{\mathrm{Н}}_2, {\mathrm{H}}_2\mathrm{S}$

Решение:

Кислотность соединения (его способность быть кислотой по Брёнстеду-Лоури) определяется лёгкостью, с которой оно отщепляет протон ($H^+$). Сила кислоты напрямую связана со стабильностью образующегося сопряжённого основания (аниона). Чем стабильнее анион, тем сильнее исходная кислота.

Рассмотрим процессы диссоциации и стабильность сопряжённых оснований для каждого из предложенных соединений:
Метан: $CH_4 \rightleftharpoons CH_3^- + H^+$ (сопряжённое основание — метанид-анион $CH_3^-$)
Аммиак: $NH_3 \rightleftharpoons NH_2^- + H^+$ (сопряжённое основание — амид-анион $NH_2^-$)
Ацетилен: $C_2H_2 \rightleftharpoons C_2H^- + H^+$ (сопряжённое основание — ацетиленид-анион $C_2H^-$)
Вода: $H_2O \rightleftharpoons OH^- + H^+$ (сопряжённое основание — гидроксид-анион $OH^-$)
Сероводород: $H_2S \rightleftharpoons HS^- + H^+$ (сопряжённое основание — гидросульфид-анион $HS^-$)

Для оценки стабильности анионов и, соответственно, силы кислот, используем следующие факторы:

1. Электроотрицательность атома, несущего отрицательный заряд. При сравнении атомов в одном периоде таблицы Менделеева, стабильность аниона возрастает с увеличением электроотрицательности атома. Сравним $CH_4, NH_3, H_2O$. Атомы $C, N, O$ находятся во втором периоде, и их электроотрицательность растёт в ряду $C < N < O$. Следовательно, стабильность их анионов увеличивается в ряду $CH_3^- < NH_2^- < OH^-$. Это означает, что кислотность исходных соединений возрастает в том же порядке: $CH_4 < NH_3 < H_2O$.

2. Размер атома (поляризуемость). При сравнении атомов в одной группе таблицы Менделеева, решающим фактором становится размер атома. С увеличением размера, отрицательный заряд распределяется ("размазывается") по большему объёму, что приводит к большей стабилизации аниона. Сравним $H_2O$ и $H_2S$. Кислород и сера находятся в 16-й группе, но сера ($S$) имеет больший атомный радиус. Поэтому гидросульфид-анион ($HS^-$) более стабилен, чем гидроксид-анион ($OH^-$), и сероводород ($H_2S$) является более сильной кислотой, чем вода ($H_2O$).

3. Гибридизация орбитали, на которой локализован заряд. Стабильность аниона увеличивается с ростом s-характера гибридной орбитали, так как s-орбитали находятся ближе к положительно заряженному ядру. Сравним метан ($CH_4$) и ацетилен ($C_2H_2$). В метане углерод имеет $sp^3$-гибридизацию (25% s-характера), а в ацетилене — $sp$-гибридизацию (50% s-характера). Значительно больший s-характер в ацетиленид-анионе ($C_2H^-$) делает его намного стабильнее метанид-аниона ($CH_3^-$). Поэтому ацетилен является гораздо более сильной кислотой, чем метан. Более того, $sp$-гибридизованный атом углерода настолько эффективно стабилизирует отрицательный заряд, что ацетилен ($pK_a \approx 25$) оказывается более сильной кислотой, чем аммиак ($pK_a \approx 38$).

Основываясь на этих факторах, выстроим все соединения в единый ряд по возрастанию кислотности:

• $CH_4$ — самая слабая кислота в ряду (низкая электроотрицательность и $sp^3$-гибридизация углерода).
• $NH_3$ — кислее, чем метан, так как азот более электроотрицателен, чем углерод.
• $C_2H_2$ — кислее, чем аммиак, из-за сильного стабилизирующего эффекта $sp$-гибридизации (50% s-характера).
• $H_2O$ — кислее, чем ацетилен, так как кислород — значительно более электроотрицательный элемент, чем углерод, даже в $sp$-гибридизации.
• $H_2S$ — самая сильная кислота в этом ряду, так как больший размер атома серы по сравнению с кислородом обеспечивает лучшую стабилизацию отрицательного заряда в анионе $HS^-$.

Таким образом, итоговый ряд по увеличению кислотности выглядит следующим образом.

Ответ: $CH_4 < NH_3 < C_2H_2 < H_2O < H_2S$.