14.1 Brønsted-Lowry Zuren en Basen

Het zuur-base-reactie-klasse is onderzocht voor geruime tijd., In 1680 rapporteerde Robert Boyle eigenschappen van zure oplossingen, waaronder hun vermogen om veel stoffen op te lossen, om de kleuren van bepaalde natuurlijke kleurstoffen te veranderen, en om deze eigenschappen te verliezen nadat ze in contact kwamen met alkali (base) oplossingen. In de achttiende eeuw werd erkend dat zuren een zure smaak hebben, reageren met kalksteen om een gasvormige stof (nu bekend als CO2) vrij te maken, en interageren met alkaliën om neutrale stoffen te vormen., In 1815 droeg Humphry Davy sterk bij aan de ontwikkeling van het moderne zuur-base concept door aan te tonen dat waterstof het essentiële bestanddeel van zuren is. Rond dezelfde tijd concludeerde Joseph Louis Gay-Lussac dat zuren stoffen zijn die basen kunnen neutraliseren en dat deze twee klassen van stoffen alleen in termen van elkaar kunnen worden gedefinieerd., Het belang van waterstof werd opnieuw benadrukt in 1884 toen Svante Arrhenius een zuur definieerde als een verbinding die oplost in water om waterstofkationen (nu bekend als hydroniumionen) en een base als een verbinding die oplost in water om hydroxideanionen te produceren.Johannes Brønsted en Thomas Lowry stelden in 1923 een meer algemene beschrijving voor waarin zuren en basen werden gedefinieerd in termen van de overdracht van waterstofionen, H+., (Merk op dat deze waterstofionen vaak gewoon worden aangeduid als protonen, omdat dat subatomaire deeltje is de enige component van kationen afgeleid van de meest voorkomende waterstof isotoop, 1H.) een verbinding die een proton doneert aan een andere verbinding heet een Brønsted-Lowry zuur, en een verbinding die een proton accepteert wordt een Brønsted-Lowry base genoemd. Een zuur-base reactie is dus de overdracht van een proton van een donor (zuur) naar een acceptor (base).

het concept van conjugaatparen is nuttig bij het beschrijven van de zuur-base-reacties van Brønsted-Lowry (en ook andere reversibele reacties)., Wanneer een zuur H + doneert, wordt de soort die overblijft de geconjugeerde base van het zuur genoemd omdat het reageert als een proton acceptor in de omgekeerde reactie. Ook wanneer een base H + accepteert, wordt het omgezet in zijn geconjugeerd zuur. De reactie tussen water en ammoniak illustreert dit idee. In de voorwaartse richting werkt water als zuur door een proton aan ammoniak te doneren en vervolgens een hydroxide-ion te worden, OH -, de geconjugeerde base van water. De ammoniak werkt als een base in het accepteren van dit proton en wordt een ammoniumion, NH4+, NH4+, het geconjugeerde zuur van ammoniak., In de omgekeerde richting werkt een hydroxide-ion als base in het accepteren van een proton uit ammoniumion, dat als zuur werkt.

de reactie tussen een Brønsted-Lowry-zuur en water wordt zure ionisatie genoemd. Wanneer waterstoffluoride bijvoorbeeld oplost in water en ioniseert, worden protonen overgebracht van waterstoffluoridemoleculen naar watermoleculen, wat hydroniumionen en fluorideionen oplevert:

Basisionisatie van een soort vindt plaats wanneer het protonen uit watermoleculen accepteert., In het onderstaande voorbeeld ondergaan pyridinemoleculen, C5NH5, base-ionisatie wanneer ze in water worden opgelost, wat hydroxide-en pyridiniumionen oplevert:

de voorgaande ionisatiereacties suggereren dat water zowel als base (zoals in zijn reactie met waterstoffluoride) als als zuur (zoals in zijn reactie met ammoniak) kan functioneren. Soorten die protonen kunnen doneren of accepteren worden amphiprotrisch of meer in het algemeen amfoterisch genoemd, een term die gebruikt kan worden voor zuren en basen volgens andere definities dan de Brønsted-Lowry., De onderstaande vergelijkingen tonen de twee mogelijke zuur-base-reacties voor twee amphiprotic soorten, bicarbonaat-ionen en water:

De eerste vergelijking is de reactie van bicarbonaat als een zuur met water als basis, terwijl de tweede vertegenwoordigt reactie van bicarbonaat als een base met water als een zuur., Wanneer bicarbonaat aan water wordt toegevoegd, worden beide evenwichten gelijktijdig vastgesteld en kan de samenstelling van de resulterende oplossing worden bepaald door middel van passende evenwichtsberekeningen, zoals verderop in dit hoofdstuk wordt beschreven.

in vloeibare toestand kunnen moleculen van een amfiprotische stof met elkaar reageren, zoals voor water in onderstaande vergelijkingen wordt geïllustreerd:

het proces waarbij soortgelijke moleculen reageren op ionen wordt auto-ionisatie genoemd., Vloeibaar water ondergaat in zeer geringe mate auto-ionisatie; bij 25 °C worden ongeveer twee van elke miljard watermoleculen geïoniseerd. In de mate van het water autoionization proces wordt weerspiegeld in de waarde van zijn evenwicht constante, de ion-product constant water, Kw:

De lichte ionisatie van zuiver water wordt weerspiegeld in de kleine waarde van het evenwicht constant; bij 25 °C Kw heeft een waarde van 1,0 ×× 10-14., Het proces is endotherm, en dus de mate van ionisatie en de resulterende concentraties van hydronium-ion en hydroxide-ion stijgen met de temperatuur. Bijvoorbeeld, bij 100 °C is de waarde voor Kw ongeveer 5,6 × × 10-13, ongeveer 50 keer groter dan de waarde bij 25 °C.