Für einige kann das Wort „superacid“ Bilder von jenseitigen Kreaturen und interstellaren Entdeckern aus beliebten Science-Fiction-Filmen wie „Alien“ zaubern. Starke Säure für Blut zu haben, war die Hauptverteidigungslinie für die Kreaturen in diesem bestimmten Film-Franchise, aber könnten Säuren, die stark genug sind, um durch Raumschiffrümpfe zu brennen, wirklich in der Natur existieren?
Ein Superacid ist genau das, was es klingt; eine extrem starke Säure., Überlegen Sie, wozu gewöhnliche Säuren in der Lage sind—eine böse Verbrennung oder eine explosive Reaktion—und multiplizieren Sie diesen Effekt jetzt mit 100, 1.000 oder sogar einer Million. Auf dieser Ebene können Superacids fantastisch erscheinen, da sie mit so ziemlich allem reagieren und sich auflösen—von Wachs und Gesteinen bis hin zu Metall und sogar Glas.
Was sind superacids?
Wie wir wissen, können gewöhnliche Säuren wie Essigsäure, die in Essig enthalten sind, durch ihren pH-Wert definiert werden. Je stärker die Säure ist und je höher ihre Protonenkonzentration ist, desto niedriger ist der pH-Wert. pH-Werte können jedoch nicht alle Säuren definieren., Da Superacids pH-Werte haben würden, die weit unter dem Standardbereich liegen und dazu neigen, eine heftige Reaktion mit Wasser zu haben, können sie nicht mit pH gemessen werden. Um eine Form der Standardisierung für diese Lösungen zu schaffen, schufen Chemiker eine neue Messung, die Hammett acidity function (H0), um Superacids zu definieren.
In einer wässrigen Lösung ist die vorherrschende saure Spezies H30+, gemessen an der pH-Skala. Über den pH-Bereich hinaus ändert sich jedoch die effektive Wasserstoffionenaktivität aufgrund der Variabilität in der Art der Säure viel schneller., In reiner Schwefelsäure ist die vorherrschende saure Spezies HSO+ anstelle von H30+, was das gemessene Proton beeinflusst und die Säure viel stärker macht. Die Hammett-Säurefunktion ermöglicht diesen Artenwechsel und berechnet die vorherrschende Säureart als Funktion von H30+. Reine Schwefelsäure hat einen Hammett-Wert von H = -12, was bedeutet, dass die vorhandene saure Spezies (HSO+) bei einer idealen Konzentration von 1012 mol/L eine protonierende Stärke von H30+ aufweist.,
Die Hammett Acidity-Funktion verwendet Schwefelsäure als Basis und definiert einen Superacid als Medium mit einem Säuregehalt von mehr als 100% reiner Schwefelsäure oder wenn das chemische Potenzial von Protonen höher ist als das von reiner Schwefelsäure. Angesichts der Tatsache, dass Schwefelsäure außergewöhnlich ätzend ist, können Sie sich vorstellen, dass alles, was stärker ist, extrem stark wäre. Zum Beispiel sind die Superacids ‚triflic acid ‚und‘ Fluorsulfursäure ‚ beide etwa tausendmal stärker als Schwefelsäure!
Fluorantimonsäure—die stärkste Säure von allen?,
Interessanterweise sind die meisten Superazide tatsächlich eine Kombination anderer Säuren. Schauen wir uns das stärkste bekannte Superacid an; Fluorantimonsäure mit einer Hammett-Säurefunktion von H0 = -28.
Fluorantimonsäure wird hergestellt, indem Fluorwasserstoff (HF) mit Antimonpentafluorid (SbF5) kombiniert wird, was zu einer Säure führt, die 1016 mal stärker ist als Schwefelsäure. Das Wasserstoffion in HF ist durch eine sehr schwache dipolare Bindung an Fluor gebunden, die den extremen Säuregehalt des Superacids ausmacht., Wie in der folgenden Formel gezeigt, dissoziiert das freie Proton leicht in der Mischung und führt zu einer starken Reaktivität mit anderen Substanzen, wenn es zwischen Anionen springt. Diese Säure ist so stark, dass sie in speziell hergestellten fluorpolymerbeschichteten Behältern gelagert werden muss (begeisterte Anhänger der Alien-Filme glauben, dass das saure Alien-Blut eine Fluor-basierte Säure ist).
HF + SbF5 → H+ + SbF6 –
Eine weitere starke Säure, genannt „magische Säure“, ist eine Mischung aus Antimonpentafluorid und Fluorsulfonsäure. Diese Säure ist so stark, dass sie sogar mit inerten Kohlenwasserstoffen reagiert, die in Wachskerzen enthalten sind., Da Wachs eine so stabile Verbindung ist, ist es eine beeindruckende Leistung, eine Reaktion damit zu initiieren, geschweige denn vollständig aufzulösen. Es wird gesagt, dass die Forscher, die dieses Phänomen entdeckten, es für einen Zaubertrick hielten, da es für unmöglich gehalten wurde, dass irgendeine Säure eine Kerze auflöst.
Die saure Stärke vieler Superacide beruht auf dieser Fähigkeit, Protonen für die Reaktion zur Verfügung zu stellen. In Säuren auf Wasserbasis werden Protonen hydratisiert und so durch umgebende Wassermoleküle stabilisiert., In Superaziden sind diese Protonen jedoch exponiert, und es gibt nichts, was sie stabilisieren könnte, was zu extremer Reaktivität und Protonenmobilität führt.
Auf welche Anwendungen können Superacids angewendet werden?
Es ist diese hochreaktive Eigenschaft der Protonen in einer Superacid, die einen so starken Nutzen bietet. Da Superacids ihr eigenes Lösungsmittel bilden oder in organischen Lösungsmitteln verwendet werden können, können sie im Vergleich zu Lösungsmitteln auf Wasserbasis auf viele verschiedene Reaktionen angewendet werden. Zum Beispiel reagieren Säuren normalerweise nicht mit Kohlenwasserstoffen wie Wachs oder Erdöl, aber Superacids können., Superacids zerlegen Kohlenwasserstoffe in positiv geladene Kohlenwasserstoffkationen, die kurzzeitig als Zwischenprodukte existieren, bevor sie durch fortgesetzte chemische Reaktionen modifiziert werden.
Darüber hinaus bietet diese starke Protonenspende, die für Superacide charakteristisch ist, eine gute Grundlage für die Untersuchung von Carbokationsintermediaten. Diese Moleküle sind extrem reaktiv und instabil, daher ist es schwierig, sie auf sinnvolle Weise zu untersuchen. Durch Mischen mit Superaciden werden sie etwas stabil und können genauer untersucht werden, um zu erklären, wie ein Kohlenwasserstoff in einen nützlicheren umgewandelt werden kann.,
Die laufende Kohlenwasserstoff-und Carbocation-Forschung wird von der chemischen Industrie unterstützt, in der Superacide ein gängiger Bestandteil sind. Die petrochemische Industrie verwendet Superacide als Katalysatoren für das primäre thermische Cracken, um Gasfraktionen mit hoher Oktanzahl zu erzeugen, während die Polymerindustrie Superacide bei der Herstellung von Polymeren mit hoher Dichte und als Katalysatoren für eine Reihe von Reaktionen einschließlich Veresterung, Isomerisierung, Alkylierung und Polymerisation verwendet., Dieses breite Anwendungsspektrum bleibt ein aktives Forschungsgebiet, da wir mehr über den Wert von Superaziden als leistungsstarke Katalysatoren in einer Vielzahl chemischer Reaktionen erfahren.
Was das alles bedeutet…
Obwohl Superacids extrem gefährlich sind und das Potenzial haben, eine toxische Umweltgefahr zu sein, testen diese Lösungen die Grenzen der organischen Chemie, ermöglichen die Weiterentwicklung der Carboniumionenforschung und tragen zur Chemietechnik bei.,
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