14.1 Brønsted-Lowry kwasy i zasady

klasa reakcji kwasowo-zasadowa była badana od dłuższego czasu., W 1680 roku Robert Boyle opisał cechy roztworów kwasu, które obejmowały zdolność rozpuszczania wielu substancji, zmianę kolorów niektórych naturalnych barwników i utratę tych cech po kontakcie z roztworami alkalicznymi (zasadowymi). W XVIII wieku uznano, że kwasy mają kwaśny smak, reagują z wapieniem, uwalniając gazową substancję (obecnie znaną jako CO2) i wchodzą w interakcje z alkaliami, tworząc substancje neutralne., W 1815 Humphry Davy przyczynił się w znacznym stopniu do rozwoju nowoczesnej koncepcji kwasowo-zasadowej, wykazując, że wodór jest podstawowym składnikiem kwasów. Mniej więcej w tym samym czasie Joseph Louis Gay-Lussac doszedł do wniosku, że kwasy są substancjami, które mogą neutralizować zasady i że te dwie klasy substancji mogą być zdefiniowane tylko w kategoriach siebie nawzajem., Znaczenie wodoru zostało ponownie uwypuklone w 1884 roku, kiedy Svante Arrhenius zdefiniował kwas jako związek rozpuszczający się w wodzie w celu uzyskania kationów wodorowych (obecnie uznawanych za jony hydroniowe) i zasadę jako związek rozpuszczający się w wodzie w celu uzyskania anionów wodorotlenkowych.

Johannes Brønsted i Thomas Lowry zaproponowali w 1923 bardziej ogólny opis, w którym określono kwasy i zasady pod względem przenoszenia jonów wodorowych, H+., (Zauważ, że te jony wodorowe są często określane po prostu jako protony, ponieważ ta cząstka subatomowa jest jedynym składnikiem kationów pochodzących z najobficiej występującego izotopu wodoru, 1H.) związek, który przekazuje proton do innego związku, nazywa się kwasem Brønsted-Lowry, a związek, który przyjmuje proton, nazywa się zasadą Brønsted-Lowry. Reakcja kwasowo-zasadowa polega więc na przeniesieniu protonu z dawcy (kwasu) do akceptora (Zasady).

pojęcie pary koniugacyjnej jest przydatne w opisie reakcji kwasowo-zasadowych Brønsteda-Lowry ' ego (a także innych reakcji odwracalnych)., Gdy kwas oddaje H+, gatunek, który pozostaje, nazywany jest sprzężoną zasadą kwasu, ponieważ reaguje jako akceptor protonów w reakcji odwrotnej. Podobnie, gdy zasada przyjmuje H+, jest przekształcana w jej sprzężony kwas. Reakcja wody i amoniaku ilustruje ten pomysł. W kierunku do przodu woda działa jak kwas, przekazując proton amoniakowi, a następnie stając się Jonem wodorotlenkowym, Oh−, sprzężoną podstawą wody. Amoniak działa jako zasada w przyjmowaniu tego protonu, stając się Jonem amonowym, NH4+, NH4+, sprzężonym kwasem amoniaku., W odwrotnym kierunku jon wodorotlenkowy działa jak zasada, przyjmując proton z jonu amonowego, który działa jak kwas.

reakcja pomiędzy kwasem Brønsteda-Lowry ' ego a wodą nazywana jest jonizacją kwasową. Na przykład, gdy fluorek wodoru rozpuszcza się w wodzie i jonizuje, protony są przenoszone z cząsteczek fluorku wodoru do cząsteczek wody, dając jony wodorowe i jony fluorkowe:

Jonizacja zasadowa gatunku występuje, gdy przyjmuje protony z cząsteczek wody., W poniższym przykładzie cząsteczki pirydyny, C5NH5, ulegają jonizacji zasadowej po rozpuszczeniu w wodzie, dając jony wodorotlenku i pirydyny:

poprzednie reakcje jonizacji sugerują, że woda może działać zarówno jako zasada (jak w reakcji z fluorowodorem), jak i kwas (jak w reakcji z amoniakiem). Gatunki zdolne do oddawania lub przyjmowania protonów nazywane są amphiprotric, lub bardziej ogólnie, amfoteric, termin, który może być używany dla kwasów i zasad według definicji innych niż Brønsted-Lowry., Poniższe równania pokazują dwie możliwe reakcje kwasowo-zasadowe dla dwóch gatunków amfiprotycznych, jonów wodorowęglanowych i wody:

pierwsze równanie przedstawia reakcję wodorowęglanu jako kwasu z wodą jako zasadą, podczas gdy drugie przedstawia reakcję wodorowęglanu jako zasady z wodą jako kwasem., Gdy wodorowęglan jest dodawany do wody, obie te równowagi są ustalane jednocześnie, a skład uzyskanego roztworu można określić za pomocą odpowiednich obliczeń równowagi, jak opisano w dalszej części niniejszego rozdziału.

w stanie ciekłym cząsteczki substancji amfiproticznej mogą reagować ze sobą, jak pokazano dla wody w równaniach poniżej:

proces, w którym podobne cząsteczki reagują z jonami produkującymi jony, nazywa się autoionizacją., Ciekła woda w bardzo niewielkim stopniu ulega autoj. w temperaturze 25 °C zjonizowane są około dwie na miliard cząsteczek wody. Zakres procesu autojonizacji wody znajduje odzwierciedlenie w wartości jego stałej równowagi, stałej produktu jonowego dla wody, Kw:

lekka jonizacja czystej wody znajduje odzwierciedlenie w małej wartości stałej równowagi; w przypadku 25 °C, kW ma wartość 1,0 ×× 10-14., Proces ten jest endotermiczny, a więc stopień jonizacji i wynikające z niego stężenia jonów hydroniowych i wodorotlenkowych zwiększają się wraz z temperaturą. Na przykład w temperaturze 100 °C Wartość Kw jest około 5,6 × 10-13, około 50 razy większa niż wartość w temperaturze 25 °C.