Ce face ca un acid să fie puternic sau slab? Pentru a răspunde la această întrebare, trebuie mai întâi să analizăm definiția unui acid. Acesta este un compus chimic care acceptă electroni și/sau donează (disociază) ioni de hidrogen, cunoscuți și sub numele de protoni.
Prin urmare, nivelurile de aciditate ale unui acid depind de capacitatea sa de a disocia ionii de hidrogen, adică, cu cât numărul de ioni de hidrogen produși de acid într-o soluție este mai mare, cu atât aceasta este mai acidă.
Acum, înainte de a trece la lista celor mai puternici acizi de pe Pământ, există termeni și definiții specifice cu care trebuie să vă familiarizați mai întâi.
Constanta de disociere a acidului (Ka): Cunoscută uneori sub numele de constanta de ionizare a acidului sau pur și simplu constanta acidului este puterea cuantificabilă a unui acid în soluție apoasă. Pe de o parte, în timp ce pH-ul sau “puterea hidrogenului” specifică nivelul de bazicitate sau, în acest caz, aciditatea oricărei soluții, constanta de disociere a acidului ne vorbește despre concentrația de ioni de hidrogen [H+] sau de ioni de hidroniu [H3O+] într-o soluție.
Acest lucru ne aduce la un alt indicator de aciditate conex și important, pKa. Acesta este practic un logaritm întreg negativ al luiKa
pKa = -log10Ka.
Cu cât acidul este mai puternic, cu atât valorile pKa sunt mai mici.
Acidul acetic donează un proton (în verde) apei pentru a produce ionul hidroniu și ionul acetat. (Oxigenul în roșu, hidrogenul este alb și carbonul în negru)
Funcția de aciditate Hammett: (Ho) Cunoaștem cu toții scara pH, care este utilizată pe scară largă pentru a măsura nivelurile de aciditate sau de bazicitate ale substanțelor chimice, dar când vine vorba de superacizi, aceasta devine pur și simplu inutilă, deoarece nivelurile lor de aciditate sunt de milioane de ori mai mari decât acidul sulfuric și acidul clorhidric.
Așadar, pentru a scala superacidele în funcție de nivelurile lor de aciditate, cercetătorii au creat funcția de aciditate Hammett. Aceasta a fost sugerată inițial de fizico-chimistul american Louis Plack Hammett.
Superacid: Un superacid este pur și simplu un acid cu un nivel de aciditate mai mare decât cel al acidului sulfuric 100%, cu o funcție de aciditate Hammett mai mică de -12. În termeni mai tehnici, poate fi definit ca un mediu în care potențialul chimic al protonului este mai mare decât cel găsit în acidul sulfuric pur.
8. Acid sulfuric
Acid sulfuric (98%) pe o bucată de hârtie
Formulă chimică: H2SO4
valoarea pKa: -3
ValoareaHo: 12
Acidul sulfuric sau vitriolul nu are nevoie de nicio prezentare oficială. Este inodor, incolor și produce o reacție exotermă intensă atunci când este amestecat cu apă. Este esențial pentru mai multe industrii, cum ar fi agricultura, tratarea apelor uzate și rafinarea petrolului. Acidul sulfuric este, de asemenea, utilizat în acizii pentru baterii și în agenții de curățare.
De asemenea, are un rol vital în studiul acizilor în ansamblul lor. Acidul sulfuric servește ca bază de referință pentru a compara nivelurile de aciditate ale superacidelor sau ale acizilor. Deși există mai multe metode de producere a acidului sulfuric, procedeul de contact și procedeul de acid sulfuric umed sunt cele care sunt utilizate în general.
H2SO4 poate provoca daune extinse la nivelul pielii umane atunci când vine vorba de contactul direct. De asemenea, este foarte coroziv pentru multe metale. Produsul chimic este mult mai coroziv și mai periculos atunci când este prezent în concentrații mari, datorită proprietăților sale superioare de oxidare și deshidratare.
7. Acid clorhidric
Formulă chimică: HCl
valoarea pKa: -5,9
Similar acidului sulfuric, acidul clorhidric este, de asemenea, un produs chimic important, utilizat pe scară largă în laboratoare și în diverse industrii. Acidul clorhidric a fost descoperit undeva în jurul anului 800 d.Hr. de către un polimat iranian numit Jabir ibn Hayyan.
Cei care se întreabă de ce acidul clorhidric este mai puternic decât acidul sulfuric, în ciuda faptului că acesta din urmă este un punct de referință pentru superacizi, motivul din spatele acestui fapt este că acidul sulfuric este un acid diprotic, care de obicei nu se disociază complet.
Cu alte cuvinte, HCl este mai puternic decât acidul sulfuric, deoarece ionii săi de hidrogen (HCl) sunt ușor de separat de clorură, în comparație cu ionul de sulfat din acidul sulfuric.
Oricum, acidul clorhidric este utilizat în mare măsură în industria grea pentru a îndepărta rugina din fier și oțel înainte de prelucrarea ulterioară. În plus, este o componentă vitală în producția de compuși organici (clorura de vinil utilizată pentru PVC) și mulți compuși anorganici.
6. Acid triflic
Acid trifluorometan-sulfonic
Formulă chimică: CF3SO3H
valoarea pKa: -14,7
Acidul trifluorometan-sulfonic, cunoscut cel mai frecvent sub numele de acid triflic, a fost sintetizat/descoperit pentru prima dată de Robert Haszeldine, un chimist britanic, în 1954. Este cunoscut pentru stabilitatea sa chimică și termică remarcabilă. În timp ce alți acizi puternici, cum ar fi acizii azotic și percloric, sunt susceptibili la oxidare, acidul triflic nu este.
Acidul triflic este utilizat în multe protonări și titrări (analiza cantitativă a compoziției unei substanțe chimice). Un motiv important pentru care acidul triflic este preferat în anumite cazuri este acela că nu sulfonează alte substanțe, ceea ce se întâmplă frecvent în cazul acidului clorosulfonic și al acidului sulfuric.
Inutil să mai spunem că este extrem de periculos. Orice contact al pielii cu acidul poate provoca arsuri grave și poate avea leziuni tisulare ușor întârziate. De asemenea, poate provoca edem pulmonar și spasme și alte afecțiuni critice atunci când este inhalat.
5. Acid fluorosulfuric
Formulă chimică: HSO3F
ValoareHo: -15,1
valoarea pKa: -10
Acidul fluorosulfuric sau acidul sulfurofluoridic (denumirea oficială) este al doilea cel mai puternic acid monocomponent disponibil în prezent. Are un aspect galben și, bineînțeles, este foarte coroziv/toxic. HSO3Feste în general produs prin reacția fluorurii de hidrogen cu trioxidul de sulf, iar atunci când este combinat cu pentafluorura de antimoniu, produce “acidul Magic”, un acid mult mai puternic și un agent protonant.
Acidul poate fi utilizat pentru alchilarea hidrocarburilor (cu alchene) și izomerizarea alcanilor, precum și pentru gravarea sticlei (arta sticlei). Este un agent de fluorinare obișnuit în laboratoare.
4. Acid percloric
60% acid percloric | Image Courtesy: W. Oelen
Formulă chimică: HClO4
valoarea pKa: -10, -15,2
Acidul percloric se numără printre cei mai puternici acizi Brønsted-Lowry cunoscuți, care au proprietăți oxidante puternice și sunt foarte corozivi. În mod tradițional, este produs prin tratarea percloratului de sodiu cu acid clorhidric (HCl), ceea ce creează, de asemenea, clorură de sodiu.
NaClO4 + HCl → NaCl + HClO4
Spre deosebire de alți acizi, acidul percloric nu este vulnerabil la hidroliză. De asemenea, este unul dintre cei mai reglementați acizi din lume. În 1947, în Los Angeles, California, aproximativ 150 de persoane au fost rănite, iar 17 au murit din cauza unei explozii chimice care conținea aproape 75% acid percloric (în volum) și 25% anhidridă acetică. De asemenea, a avariat peste 250 de clădiri și vehicule din apropiere.
În ciuda naturii sale explozive, acidul percloric este utilizat pe scară largă și chiar preferat în anumite tipuri de sinteze. Este, de asemenea, o componentă importantă a percloratului de amoniu, care este utilizat în combustibilul modern pentru rachete.
3. Acid carboranic fluorurat
Structura generică a unui acid carboranic
Formulă chimică: H(CHB11F11)
ValoareHo: -18
valoarea pKa: -20
Acizii carboranici reprezintă unul dintre cele mai puternice grupuri de superacizi cunoscuți de oameni, puțini dintre aceștia fiind considerați ca având o valoare a funcției de aciditate Hammett de până la -18, adică un nivel de aciditate de peste un milion de ori mai puternic decât acidul sulfuric pur (100%).
Un astfel de membru al acestui grup este acidul carboranic fluorurat. Deși existența unei astfel de substanțe chimice a fost inițial raportată în 2007, cercetătorii au reușit să studieze întreaga amploare a naturii sale abia în 2013. Înainte de descoperirea sa, coroana celui mai puternic acid Brønsted revenea unei versiuni puternic clorurate a acestei familii de superacizi.
Carboranul fluorurat este singurul acid cunoscut care poate protona (transfer de ioni de hidrogen) dioxidul de carbon pentru a produce cationi cu punte de hidrogen. În schimb,CO2 nu trece prin nicio protonare remarcabilă atunci când este tratat cu alți superacizi precum acidul Magic și HF-SbF5.
Citește și: 26 de fapte intrigante despre ADN pe care probabil că nu le știai
2. Acidul magic
Acid fluorosulfuric+pentafluorură de antimoniu (1:1)
Formulă chimică: FSO3H-SbF5
ValoareHo: -23
FSO3H-SbF5, cunoscut mai ales sub denumirea de acid magic, se obține prin amestecarea acidului fluorosulfuric și a pentafluorurii de antimoniu într-un raport molar de 1:1. Acest sistem superacid a fost dezvoltat pentru prima dată în 1966 de către cercetătorii din laboratorul lui George Olah, de la Universitatea Case Western Reserve din Ohio.
Numele său destul de fantezist a fost stabilit după un eveniment oficial din 1966, în care un membru al laboratorului Olah a demonstrat o protonare a hidrocarburilor în care o lumânare de parafină s-a dizolvat “magic” și s-a transformat într-o soluție de cation terț-butil după ce a fost plasată deasupra a ceea ce este cunoscut acum ca acidul magic.
Deși acidul magic este utilizat în general pentru a stabiliza ionii de carboniu în soluții, acesta are puține alte aplicații industriale importante. De exemplu, poate accelera izomerizarea hidrocarburilor saturate și chiar protonarea metanului, a xenonului și a halogenilor, toate acestea fiind baze slabe.
1. Acid fluoroantimonic
Structura moleculară a acidului fluoroantimonic
Formulă chimică: H2FSbF6
Hovaloarea: -15 (formă pură), -28 (cu >50 mol%)
Acidul fluoroantimonic este probabil cel mai puternic dintre toți superacizii cunoscuți, pe baza valorilor funcției de aciditate Hammett. Se produce prin amestecarea fluorurii de hidrogen cu pentafluorura de antimoniu, în general într-un raport de 2:1. Această reacție este de natură exotermă.
Acest superacid are mai multe aplicații esențiale în ingineria chimică și în industria petrochimică. De exemplu, poate fi utilizat pentru a separa metanul șiH2 din neopentan și, respectiv, izobutan (ambele alcani).
Nu este surprinzător faptul că H2FSbF6 este extrem de coroziv și poate trece printr-o hidroliză violentă, atunci când intră în contact cu apa. La fel ca majoritatea superacidelor, acidul fluoroantimonic poate mânca direct prin sticlă; prin urmare, trebuie depozitat în recipiente din PTFE (politetrafluoretilenă).
Citește și: 15 cele mai bune laboratoare de cercetare științifică și tehnologică din lume
Acum, cei mai mulți dintre voi s-ar putea să fi dat peste acizii carboranici (fie acidul carboranic clorurat, fie acidul carboranic fluorurat) atunci când căutați “cei mai puternici acizi din lume”
Ei bine, din punct de vedere tehnic, au dreptate, deoarece acizii carboranici sunt cei mai puternici acizi cu un singur component cunoscuți pe Pământ, mult mai acizi decât acizi precum acidul percloric și acidul triflic. (acidul fluoroantimonic este de fapt un acid mixt).
