6.2: Бронстед-низькі кислоти і основи

Last updated
Save as PDF

Page ID: 25537

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Деякі основи не мають в своїй формулі гідроксидних іонів, але вони діють як основи і нейтралізують кислоти. Наприклад, аміак (NH ₃) і карбонат кальцію (CaCo ₃) не містять гідроксид-іонів, але нейтралізують кислоти. Далі визначення Арренія обмежує кислотно-лужні реакції у водному середовищі. Кислотно-лужні реакції можуть відбуватися і в інших середовищах, наприклад, HCl - кислота, а NH ₃ - основа може реагувати і нейтралізувати один з одним у газовій фазі. Brønsted-Lowry межує з визначенням кислот і підстав, включивши згадані вище основи, а також шляхом включення кислотно-лужних реакцій у неводному середовищі.

Визначення кислот і підстав Бронстеда - Лоурі

Визначення Бронстеда - Лоурі стверджує, що:

Кислота є донором протонів, і
Основа - це протонний акцептор.

Наприклад, HCl - це кислота, оскільки вона дарує протон водному розчиннику.

\[\mathrm{HCl}(\mathrm{g})+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \rightarrow \mathrm{Cl}^{-}(\mathrm{aq})+\mathrm{H}_{3} \mathrm{O}^{+}(\mathrm{aq})\nonumber\]

Вода є основою у вищезгаданій реакції, оскільки вона приймає протон з кислоти. У реакції між HCl і NH ₃:

\[\mathrm{HCl}(\mathrm{g})+\mathrm{NH}_{3}(\mathrm{~g}) \rightarrow \mathrm{NH}_{4} \mathrm{Cl}(\mathrm{s})\nonumber\]

HCl - це кислота, оскільки вона дарує свій протон NH ₃, а NH ₃ є основою, оскільки приймає протон, як показано на рис. 6.2.1.

білий дим - це хлорид амонію, що утворюється при нейтралізації парів соляної кислоти парами аміаку — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Перенесення протонів від HCl до NH ₃ є прикладом кислотно-лужної реакції. Соляна кислота випаровується з рідкого HCl в склянці, вступаючи в реакцію з парами аміаку, що надходять з пробірки для отримання хлориду амонію (білого диму). Джерело: Walkerma, Громадське надбання.

Кислоти Бронстеда-Лоурі мають іонізуючі протони, які вони жертвують основам. Тому кислота Бронстеда-Лоурі, як правило, пишеться як HA, де H ⁺ - це донорський протон, а А ^- аніон кислоти. Прикладами кислот є HCl, H ₂ SO ₄, HNO ₃ та CH ₃ COOH. Зверніть увагу, що оцтова кислота має лише один кислий протон, який приєднується до атома О в групі карбонових кислот (—СООН). Решта протонів, прикріплених до атомів вуглецю, не є кислими. Всі органічні кислоти мають групу карбонових кислот (—СООН). Бронстед-Лоурі кислота може мати чистий+ve заряд, без заряду, або чистий -ve заряду на ньому. Наприклад, H ₃ O ⁺, HCl та HSO ₄ ^- це всі кислоти, оскільки вони можуть пожертвувати протон на основу.

Моно-, ді- і трипронова кислоти

Кислоти, які мають лише один кислий протон, є моно- протонними, наприклад, H Cl, H NO ₃, CH ₃ COO H, є моно- протоновими кислотами, де кислотний протон показаний жирним шрифтом. Деякі кислоти мають два кислотних протони - вони є di- protic, наприклад, H _{2 SO} ₄ і H ₂ CO ₃ є di- protic. Кислоти з трьома кислотними протонами трипротонні, наприклад, H ₃ PO ₃ є трипротоновою кислотою. Наприклад, фосфорна кислота (H ₃ PO ₄) може дисоціювати і здавати три протони, як показано в хімічних реакціях нижче:

\ begin {вирівняний}
&\ математика {H} _ {3}\ mathrm {PO} _ {4} +\ математика {H} _ {2}\ математика {O}\ матрм {H} _ {3}\ mathrm {O} ^ {+} +\ mathrm {H} _ {2}\ mathrm {P} _ {4} {} ^ {-}\\
&\ mathrm {H} _ {2}\ mathrm {P} _ {4} {-} +\ математика {H} _ {2}\ mathrm {O}\ правий лівий тарпуни\ математика {H} _ {3}\ mathrm {O} ^ {+ } +\ mathrm {HPO} _ {4} {} ^ {2-}\\
&\ mathrm {HPO} _ {4} {2-} +\ математика {H} _ {2}\ матрм {O}\ правий лівий гамарони {H} _ {3}\ mathrm {O} ^ {+} +\ mathrum m {PO} _ {4} {} ^ {3-}
\ кінець {вирівняний}

База приймає протон, роблячи з ним зв'язок. Зв'язок являє собою пару зв'язаних електронів. Оскільки протон є атомом водню без електрона, обидва електрони в зв'язку надходять від основи. База повинна мати на ньому самотню пару електронів. Основа зазвичай представлена як підкреслити на ньому самотню пару електронів, яка показана у вигляді пари точок. Наприклад, аміак, вода та гідроксид-іон (,, і) є основами Бронстеда - Лоурі, тому що кожен з них має атом з однією парою або самотніми парами електронів на них.

Сполучених кислотно-лужних пар

Описані вище кислотно-лужні реакції є односторонніми реакціями, тобто реагенти йдуть до продуктів майже 100%. Однак більшість кислотно-лужних реакцій є двома шляхами, тобто реагенти утворюють продукти і продукти реагують один з одним і повторно утворюють реагенти. Подвійні стрілки між реагентами і продуктами представляють собою два способи реакції. Наприклад, плавикова кислота (ВЧ) є слабким електролітом; вона частково дисоціює у воді з утворенням F ^- і H ₃ O ⁺, а продукти реагують на повторне утворення реагентів, як показано на рис.6.2.2. У зворотній реакції Н ₃ О ⁺ виступає в якості кислоти, а F ^- виступає в якості основи. Кислота і основа в продуктах називаються кон'югатной кислотою і кон'югатної основою відповідно. Кислота HF стає кон'югатною основою F ^- після видалення протона, а основа Н ₂ О стає кон'югатною кислотою Н ₃ О ⁺ після прийому протона.

Сполучений кислотно-лужна пара

Кон'югатна кислотно-лужна пара пов'язана з втратою і посиленням Н ⁺. Наприклад, ВЧ/Ф ^- це сполужена кислотно-лужна пара, а H ₃ O ⁺ /H ₂ O - також сполужена кислотно-лужна пара.

Іншими словами, видаліть кислий протон з кислоти, щоб отримати його кон'югатну основу, і додайте протон до основи, щоб отримати його кон'югатну кислоту.

Ілюстрація кислоти, основи, кон'югатної кислоти та кон'югатної основи за допомогою дисоціації HF у воді — Малюнок\(\PageIndex{2}\): HF - кислота, яка втрачає протон, утворюючи його кон'югатну основу F ^-, а вода -діє як основа, приймаючи протон для утворення його кон'югатної кислоти H ₃ O ⁺.

Іншим прикладом є аміак NH ₃, який розчиняється у воді і приймає протон для утворення його кон'югатної кислоти NH ₄ ⁺, як показано на рис. 6.2.3. Вода Н ₂ О діє як кислота, даруючи протон і утворюючи його кон'югатну основу ОН ^-. Дві спряжені кислотно-лужні пари в цій реакції - це NH ₄ ^+/NH ₃ та H ₂ O/OH ^- які пов'язані втратами та посиленням або H ⁺.

Ілюстрація пар основ кислота/кон'югата на прикладі NH4+/NH3 і H2O/OH- — Малюнок\(\PageIndex{3}\): H ₂ O - діє як кислота, яка втрачає протон, утворюючи його кон'югатну основу OH ^-, а NH ₃ -основа приймає протон для утворення його кон'югатної кислоти NH ₄ ⁺.

Приклад\(\PageIndex{1}\)

Визначити сполучені кислотно-лужні пари в наступній реакції?

\[\mathrm{H}_{3} \mathrm{PO}_{4}(\mathrm{aq})+\mathrm{NH}_{3}(\mathrm{aq}) \rightleftarrows \mathrm{H}_{2} \mathrm{PO}_{4}^{-}+\mathrm{NH}_{4}^{+}\nonumber\]

Рішення

Визначте речовину, яка пожертвувала протон у реагентах - це кислота.
Видаліть протон з кислоти, щоб сформувати його кон'югатну основу: H ₃ PO ₄ /H ₂ PO ₄ ^-_.
Визначте речовину, яка прийняла протон у реагентах - це основа.
Додайте протон до основи, щоб сформувати його кон'югатну кислоту: NH _3/NH ₄ ⁺.

Примітка

Зверніть увагу, що втрата протона з кислоти утворює його кон'юговану основу з зарядом зменшеним на одиницю, наприклад, H ₃ PO ₄ /H ₂ PO ₄ ^-, HSO ₄ ^- /SO ₄ ² ^- і NH ₄ ⁺/ NH ₃. Аналогічно, посилення протона основою утворює його кон'югатну кислоту з зарядом, збільшеним на одиницю, наприклад, HPO ₄ ² ^- /H ₂ PO ₄ ^-, HCO ₃ ^- /H ₂ CO ₃, і NH ₃ /NH ₄ ⁺.

амфотерні речовини

Вода діє як основа в деяких реакціях, наприклад, з HF, і як кислота в деяких реакціях, наприклад, з NH ₃.

Такі речовини, як вода, які можуть діяти як кислота, а також як основа, називаються амфотерними речовинами.

Інші приклади амфотерних речовин включають HSO ₄ ^-, HCO ₃ ^- і NH ₃, як показано на рис. 6.2.4.

Ілюстрація амфотерної речовини — Малюнок\(\PageIndex{4}\): Приклади амфотерних речовин, які можуть діяти як кислота в деяких реакціях, а також як основа в інших реакціях.