Superkislina: definicija, delovanje in primeri (triflinska, fluoroantimonska)

Superkislinska kislina je kislina, katere kislost je večja od kislosti čiste žveplove kisline (H₂SO₄). V skladu s sodobno definicijo ima superkislina kemijski potencial protona, ki je nižji (tj. bolj "protonirajoč") od potenciala čiste žveplove kisline, zaradi česar lahko protonira spojine, ki so za običajne kisline nepreproste ali nedostopne.

Kaj loči superkisline od običajnih kislin

Razlika ni le v vrednosti pK_a, temveč tudi v zmožnosti protoniranja molekul z zelo nizko osnovnostjo. Za merjenje teh ekstremnih sposobnosti se pogosto uporablja Hammettova kislinska funkcija H₀, pri kateri imajo superkisline veliko bolj negativne vrednosti kot npr. žveplova kislina. Ključen mehanizem povečanja kislosti v nekatereh sistemih je kombiniranje močne Brønstedove kisline z močno Lewisovo kislino, kjer Lewisova kislina "zaporni" konjugiran anion in s tem stabilizira naboj ter še poveča sposobnost oddajanja protona.

Kako delujejo superkisline

Superkisline protonirajo zelo šibke baze (npr. alkanov ali nekaterih inertnih ogljikovodikov), kar omogoča tvorbo stabilnih ali vsaj ustrezno dolgoročnih karbokationskih vrst.
Ko je konjugiran anion zelo slabo razpršen ali pa ga Lewisova kislina močno kompleksira, se poveča "razpoložljivost" protona in kislina postane še močnejša.
V praksi to pomeni, da superkisline lahko razgradijo ali preurejajo molekule, odporne na delovanje običajnih močnih kislin.

Primeri in značilne lastnosti

Med komercialno dostopnimi superkislinami so najpogosteje omenjene:

Trifluorometansulfonska kislina (triflinska kislina), kemijska formula CF₃SO₃H, znana po stabilnosti in nizki nukleofilnosti svoje konjugirane baze (triflat, CF₃SO₃⁻). Pogosto se uporablja kot močan, neoksidirajoč katalizator v organski sintezi.
Fluorosulfonska kislina (FSO₃H) — zelo močna Brønstedova kislina, ki v kombinaciji z ustreznimi Lewisovimi kislinami tvori še močnejše superkisline.

Obe omenjeni kislini sta bistveno močnejši od žveplove kisline; zaradi lastnosti konjugiranih baz in strukturne stabilnosti se njuna efektivna kislost pogosto ocenjuje na ravni, ki je večkrat večja kot pri H₂SO₄.

Najmočnejše superkisline

Še močnejše superkisline dobimo z mešanicami močne Brønstedove in močne Lewisove kisline. Tipičen primer je kombinacija antimon(Ⅴ) fluorida (SbF₅) z vodikovim fluoridom (HF), znana kot fluoroantimonska kislina (HF·SbF₅). Takšni sistemi so sposobni protonirati celo molekule, ki za druge kisline niso dostopne, in tvoriti zelo nestabilne, a uporabne karbokatione in druge reakcijske vrste.

Uporabe

Kataliza v organski sintezi: alkilacije, izomerizacije, polimerizacije in tvorba karbokationov kot medproduktov.
Raziskovalna kemija: protoniranje nenavadnih ligantov, študij stabilnosti ionov, priprava redkih oksidacijskih stanj.
Industrijske aplikacije, kjer so potrebni močni, selektivni katalizatorji brez oksidativnega delovanja.

Varnost in ravnanje

Superkisline so izjemno korozivne, večkrat reagirajo s hranili, vodo in običajnimi materiali (steklo, kovine). Delo z njimi zahteva:

delovno okolje brez vlage in pod inertnim plinom;
uporabo odpornih materialov (npr. PTFE/Teflon, določeni plastični materiali) in primerne osebne zaščitne opreme;
posebno pozornost pri nevtralizaciji in odstranjevanju odpadkov — ne mešati z vodo ali bazičnimi snovmi brez nadzora;
vedeti, da lahko v sistemih z fluoroantimonsko kislino nastaja tudi prosti fluorovodik (HF), ki je zelo strupen in topi tkiva.

Sklep: Superkisline so izjemno močni protonodajalci, ki jih kemiki uporabljajo tam, kjer običajne kisline odpovejo. Njihova močna protonirajoča sposobnost izhaja iz kombinacije močnih Brønstedovih in Lewisovih lastnosti ter stabilizacije konjugirane baze; hkrati pa zahtevajo stroge varnostne ukrepe in posebno opremo pri uporabi.

Sorodne strani

Superbase

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je superkislina?

O: Superkislina je kislina, ki ima večjo kislost kot 100-odstotna čista žveplova kislina.

V: Kakšna je sodobna definicija superkisline?

O: V skladu s sodobno definicijo ima superkislina kemijski potencial protona, ki je višji od potenciala čiste žveplove kisline.

V: Za kaj kemiki uporabljajo močne kisline?

O: Kemiki uporabljajo močne kisline za razgradnjo drugih molekul.

V: Zakaj so nekatere molekule odporne na običajne kisline?

O: Nekatere molekule imajo močne kemijske vezi, ki so odporne na napad običajnih kislin.

V: Kaj lahko počnejo superkisline?

O: Superkisline lahko razgradijo molekule, ki so odporne na večino drugih kislin.

V: Katere so nekatere komercialno dostopne superkisline?

O: Triflinska kislina in fluorosulfonska kislina sta komercialno dostopni superkislinski kislini.

V: Katera je najmočnejša znana superkislinska kislina?

O: Fluoroantimonska kislina je najmočnejša znana superkislinska kislina, ki jo pripravimo s kombinacijo močne Lewisove kisline in močne Brønstedove kisline.