For nogle, ordet “superacid’ kan fremmane billeder af overjordiske væsener og interstellare opdagelsesrejsende fra populære sci-fi-film som ‘Fremmede’. At have kraftig syre til blod var hovedlinjen i forsvaret for væsnerne i den pågældende filmfranchise, men kunne syrer, der er stærke nok til at brænde gennem rumskibsskrog, virkelig eksistere i naturen?
en superacid er lige hvad det lyder som; en ekstremt kraftig syre., Tænk på, hvad almindelige syrer er i stand til—forårsager en ubehagelig forbrænding eller en eksplosiv reaktion—og multiplicer nu denne virkning med 100, 1.000 eller endda en million. På dette niveau kan superacider virke fantastiske, da de reagerer med og opløser stort set alt—fra voks og klipper, til metal og endda glas.
Hvad er superacider?
som vi ved, kan almindelige syrer, såsom eddikesyre, der findes i eddike, defineres ved deres pH-værdi. Jo stærkere syren er, og jo højere dens protonkoncentration er, desto lavere er pH. pH-værdier kan dog ikke definere alle syrer., Som superacids ville have pH-værdier, der er langt under den standard sortiment og har tendens til at have en voldsom reaktion med vand, at de ikke kan måles pH. For at skabe en vis form for standardisering for disse løsninger, kemikere skabt en ny måling, Hammett surhedsgrad funktion (H0), for at definere superacids.
i en vandig opløsning er den dominerende syreart H30+ målt ved pH-skalaen. Ud over pH-området ændres den effektive hydrogenionaktivitet imidlertid meget hurtigere på grund af variabilitet i syrenes natur., I ren svovlsyre er den dominerende syreart HSO+ i stedet for H30+, hvilket påvirker protonen, der måles, og gør syren meget stærkere. Hammett acidity-funktionen muliggør denne ændring af arter, idet den overvejende syreart beregnes som en funktion af H30+. Ren svovlsyre har en Hammett-værdi på h = -12, hvilket betyder, at de tilstedeværende syrearter (HSO+) har en protoneringsstyrke svarende til H30+ i en ideel koncentration på 1012 mol / L.,
Hammett surhedsgrad funktion anvender svovlsyre som sit udgangspunkt, der definerer en superacid som et medium med en surhedsgrad, der er større end 100% ren svovlsyre, eller hvor det kemiske potentiale af protoner, der er højere end ren svovlsyre. I betragtning af at svovlsyre er usædvanligt ætsende, kan du forestille dig, at noget stærkere ville være ekstremt kraftigt. For eksempel er superaciderne ‘triflic acid’ og ‘fluorsvovlsyre’ begge omkring tusind gange stærkere end svovlsyre!
Fluorantimonsyre—den stærkeste syre af dem alle?,
interessant nok er de fleste superacider faktisk en kombination af andre syrer. Lad os tage et kig på den stærkeste kendte superacid; fluorantimonsyre, med en Hammett surhedsfunktion på H0 = -28.
Fluoroantimonic syre er lavet ved at kombinere hydrogenfluorid (HF) med antimonpentafluorid (SbF5), hvilket resulterer i en syre, der er 1016 gange stærkere end svovlsyre. Hydrogenionen i HF er bundet til fluor ved en meget svag dipolær binding, der tegner sig for superacidets ekstreme surhed., Som vist i formlen nedenfor dissocierer den frie proton let i blandingen og resulterer i stærk reaktivitet med andre stoffer, når den hopper mellem anioner. Denne syre er så stærk, at den skal opbevares i specielt producerede fluorpolymerbelagte beholdere (ivrige tilhængere af Alien-filmene mener, at det sure fremmede blod er en fluorbaseret syre).
HF + sbf5.H+ + sbf6-
en anden kraftig syre, kaldet ‘magisk syre’, er en blanding af antimon pentafluorid og fluorsulfonsyre. Denne syre er så potent, at den endda reagerer med inerte kulbrinter, der findes i vokslys., Da voks er en så stabil forbindelse, er det en imponerende præstation at indlede en reaktion med den, endsige helt opløse den. Det siges, at forskerne, der opdagede dette fænomen, troede, at det var et magisk trick, da det blev anset for umuligt for nogen syre at opløse et stearinlys.
den sure styrke af mange superacider kommer fra denne evne til at gøre protoner tilgængelige til reaktion. I vandbaserede syrer hydreres protoner, og stabiliseres derfor ved at omgive vandmolekyler., I superacider udsættes disse protoner imidlertid uden noget for at stabilisere dem, hvilket resulterer i ekstrem reaktivitet og protonmobilitet.
hvilke applikationer kan superacids anvendes til?
det er denne meget reaktive egenskab af protonerne i et superacid, der giver et så stærkt værktøj. I betragtning af at superacider kan danne deres eget opløsningsmiddel eller bruges i organiske opløsningsmidler, kan de påføres mange forskellige reaktioner sammenlignet med vandbaserede opløsningsmidler. For eksempel reagerer syrer normalt ikke med kulbrinter som voks eller olieolie, men superacider kan., Superacider bryder kulbrinter i positivt ladede carbonhydridkationer, som kort eksisterer som mellemprodukter, før de ændres ved fortsatte kemiske reaktioner.
derudover giver denne stærke protondonation, der er karakteristisk for superacider, et godt grundlag for undersøgelsen af carbocation-mellemprodukter. Disse molekyler er ekstremt reaktive og ustabile, så det er svært at studere dem på en meningsfuld måde. Ved at blande dem med superacider bliver de noget stabile og kan undersøges nærmere for at hjælpe med at forklare, hvordan et carbonhydrid kan omdannes til en mere nyttig.,
igangværende kulbrinte-og carbocation-forskning understøttes af kemikalieindustrien, hvor superacider er en fælles komponent. Den petrokemiske industri bruger superacids som katalysatorer for primær termisk krakning til at producere høj-oktan gas fraktioner, mens plastindustrien bruger superacids i produktionen af high-density polymerer og som katalysatorer for en bred vifte af reaktioner, herunder esterificering, isomerisation, alkylering, og polymerisering., Denne brede vifte af applikationer forbliver aktive forskningsområder, da vi lærer mere om værdien af superacider som kraftfulde katalysatorer i en række kemiske reaktioner.
hvad det hele betyder…
selvom superacider er ekstremt farlige og har potentialet til at være en giftig miljøfare, tester disse løsninger grænserne for organisk kemi, hvilket gør det muligt at fremme carboniumionforskning og bidrage til Kemiteknik.,
Hvis du gerne vil lære mere om de uorganiske syrer, der er tilgængelige i forskningsmængder fra Alfa Aesar, kan du besøge siderne uorganiske syrer eller kontakte os.