14.1 Brønsted-Lowry syror och baser

syrabasreaktionsklassen har studerats under ganska lång tid., I 1680 rapporterade Robert Boyle egenskaper av syralösningar som inkluderade deras förmåga att lösa upp många ämnen, att ändra färgerna på vissa naturliga färgämnen och att förlora dessa egenskaper efter att ha kommit i kontakt med alkali (bas) lösningar. Under artonhundratalet erkändes det att syror har en sur smak, reagerar med kalksten för att befria en gasformig substans (nu känd för att vara CO2) och interagera med alkalier för att bilda neutrala ämnen., År 1815 bidrog Humphry Davy kraftigt till utvecklingen av det moderna syrabaskonceptet genom att visa att väte är den väsentliga beståndsdelen i syror. Ungefär samtidigt drog Joseph Louis Gay-Lussac slutsatsen att syror är ämnen som kan neutralisera baser och att dessa två klasser av ämnen endast kan definieras i termer av varandra., Betydelsen av väte reemphasized 1884 när Svante Arrhenius definierade en syra som en förening som löser upp i vatten för att ge vätekatjoner (nu erkänd som hydroniumjoner) och en bas som en förening som löser upp i vatten för att ge hydroxidanjoner.

Johannes Brønsted och Thomas Lowry föreslog en mer allmän beskrivning 1923 där syror och baser definierades i termer av överföring av vätejoner, H+., (Observera att dessa vätejoner ofta kallas protoner, eftersom den subatomära partikeln är den enda komponenten i katjoner som härrör från den mest rikliga väteisotopen, 1H.) en förening som donerar en proton till en annan förening kallas en Brønsted-Lowry syra, och en förening som accepterar en proton kallas en Brønsted-Lowry bas. En syrabasreaktion är sålunda överföringen av en proton från en givare (syra) till en acceptor (bas).

begreppet konjugatpar är användbart för att beskriva Brønsted-Lowry syra-basreaktioner (och andra reversibla reaktioner)., När en syra donerar H+, kallas den art som återstår den konjugerade basen av syran eftersom den reagerar som en proton acceptor i omvänd reaktion. På samma sätt, när en bas accepterar H+, omvandlas den till sin konjugatsyra. Reaktionen mellan vatten och ammoniak illustrerar denna idé. I framåtriktningen fungerar vatten som en syra genom att donera en proton till ammoniak och därefter bli en hydroxidjon, OH−, den konjugerade basen av vatten. Ammoniaken fungerar som en bas för att acceptera denna proton, blir en ammoniumjon, NH4+,NH4+, ammoniakkonjugatsyran., I omvänd riktning fungerar en hydroxidjon som en bas för att acceptera en proton från ammoniumjon, som fungerar som en syra.

reaktionen mellan en Brønsted-låg syra och vatten kallas syrajonisering. Till exempel, när vätefluorid löses upp i vatten och joniserar, överförs protoner från vätefluoridmolekyler till vattenmolekyler, vilket ger hydroniumjoner och fluoridjoner:

Basjonisering av en art uppstår när den accepterar protoner från vattenmolekyler., I exemplet nedan genomgår pyridinmolekyler, c5nh5, basjonisering när de löses i vatten, vilket ger hydroxid och pyridiniumjoner:

de föregående joniseringsreaktionerna tyder på att vatten kan fungera som både en bas (som i sin reaktion med vätefluorid) och en syra (som i sin reaktion med ammoniak). Arter kan antingen donera eller acceptera protoner kallas amphiprotric, eller mer generellt, amfotära, en term som kan användas för syror och baser per definitioner än Brønsted-Lowry en., Ekvationerna nedan visar de två möjliga syrabasreaktioner för två amfiprotiska arter, bikarbonatjon och vatten:

den första ekvationen representerar bikarbonatreaktionen som en syra med vatten som bas, medan den andra representerar bikarbonatreaktionen som bas med vatten som en syra., När bikarbonat tillsätts till vatten fastställs båda dessa jämvikter samtidigt och sammansättningen av den resulterande lösningen kan bestämmas genom lämpliga jämviktsberäkningar, såsom beskrivs senare i detta kapitel.

i flytande tillstånd kan molekyler av en amphiprotisk substans reagera med varandra som illustreras för vatten i ekvationerna nedan:

processen där som molekyler reagerar på avkastningsjoner kallas autoimmunisering., Flytande vatten genomgår autoimmunisering i mycket liten utsträckning; vid 25 °C joniseras cirka två av varje miljard vattenmolekyler. Omfattningen av vattenutomatiseringsprocessen återspeglas i värdet av dess jämviktskonstant, jonproduktkonstanten för vatten, Kw:

den lilla joniseringen av rent vatten återspeglas i det lilla värdet av jämviktskonstanten; vid 25 °C har Kw en liten mängd ett värde på 1,0 ×× 10-14., Processen är endotermisk, och så ökar omfattningen av jonisering och de resulterande koncentrationerna av hydroniumjon och hydroxidjon med temperatur. Till exempel vid 100 °C är värdet för Kw ca 5,6 × × 10-13, ungefär 50 gånger större än värdet vid 25 ° C.