Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

10.1: Визначення кислот та основ

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    21823

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

    Цілі навчання
    • Визначте арренієву кислоту та основу Arrhenius.
    • Визначте кислоту Бронстеда-Лоурі та основу Бронстеда-Лоурі.
    • Визначте кон'югатні кислотно-лужні пари в кислотно-лужній реакції.

    Існує три основні класифікації речовин, відомих як кислоти або основи. Теорія, розроблена Сванте Арреніусом в 1883 році, визначення Арренія, стверджує, що кислота виробляє Н + в розчині, а основа виробляє ОН -. Пізніше були запропоновані ще дві витончені і загальні теорії. Ці теорії є визначеннями кислот та основ Бронстеда-Лоурі та Льюїса. У цьому розділі будуть розглянуті теорії Арренія та Бронстеда-Лоурі; теорія Льюїса обговорюється в іншому місці.

    Арренієва теорія кислот і основ

    У 1884 році шведський хімік Сванте Арреніус запропонував дві конкретні класифікації сполук, які називаються кислотами і основами. При розчиненні у водному розчині в розчин виділялися певні іони. Арренієва кислота - це з'єднання, яке збільшує концентрацію\(\ce{H^{+}}\) іонів, які присутні при додаванні до води. Ці іони Н + утворюють іон гідронію (H 3 O +), коли вони поєднуються з молекулами води. Цей процес представлений в хімічному рівнянні шляхом додавання Н 2 О до сторони реагентів.

    \[ \ce{HCl(aq) \rightarrow H^{+}(aq) + Cl^{-}(aq) }\]

    У цій реакції соляна кислота (\(HCl\)) повністю дисоціює на іони водню (H +) і хлору (Cl -) при розчиненні у воді, тим самим виділяючи в розчин іони Н +. Формування рівняння іонів гідронію:

    \[\ce{ HCl(aq) + H_2O(l) \rightarrow H_3O^{+}(aq) + Cl^{-}(aq)} \]

    Основа Arrhenius - це з'єднання, яке збільшує концентрацію\(\ce{OH^{-}}\) іонів, які присутні при додаванні до води. Дисоціація представлена наступним рівнянням:

    \[\ce{ NaOH \; (aq) \rightarrow Na^{+} \; (aq) + OH^{-} \; (aq) }\]

    У цій реакції гідроксид натрію (NaOH) при розчиненні у воді дисоціюється на іони натрію (\(Na^+\)\(OH^-\)) і гідроксиду (), тим самим виділяючи OH - іони в розчин.

    Арренієві кислоти - це речовини, які виробляють іони водню в розчині, а основи Arrhenius - речовини, які виробляють гідроксидні іони в розчині.

    Обмеження теорії Арренія

    Теорія Арренія має набагато більше обмежень, ніж дві інші теорії. Теорія не пояснює слабку основу аміаку (NH 3), який в присутності води виділяє гідроксид-іони в розчин, але не містить сам ОН-. Визначення Arrhenius кислоти і основи також обмежується водними (тобто водою) розчинами.

    Теорія кислот і основ Бронстеда-Лоурі

    У 1923 році датський хімік Йоганнес Бронстед та англійський хімік Томас Лоурі самостійно запропонували нові визначення кислот і основ, які зосереджені на перенесенні протонів. Кислота Бронстеда-Лоурі - це будь-який вид, який може пожертвувати протон (H +) іншій молекулі. Основа Бронстеда-Лоурі - це будь-який вид, який може приймати протон з іншої молекули. Коротше кажучи, кислота Бронстеда-Лоурі є донором протонів, тоді як основа Бронстеда-Лоурі - це акцептор протонів.

    Кислота Бронстеда-Лоурі є донором протонів, тоді як основа Бронстеда-Лоурі - це акцептор протонів.

    Давайте використаємо реакцію аміаку у воді, щоб продемонструвати визначення Бронстеда-Лоурі кислоти та основи. Молекули аміаку та води є реагентами, тоді як іон амонію та гідроксид-іон є продуктами:

    \[\ce{NH3(aq) + H2O (ℓ) <=> NH^{+}4(aq) + OH^{−}(aq) }\label{Eq1}\]

    Що сталося в цій реакції, полягає в тому, що вихідна молекула води подарила іон водню оригінальній молекулі аміаку, яка, в свою чергу, прийняла іон водню. Ми можемо проілюструвати це наступним чином:

    альт

    Оскільки молекула води дарує іон водню аміаку, це кислота Бронстеда-Лоурі, тоді як молекула аміаку, яка приймає іон водню, є основою Бронстеда-Лоурі. Таким чином, аміак діє як основа як в сенсі Арренія, так і в сенсі Бронстеда-Лоурі.

    Чи є кислота Arrhenius, як соляна кислота, все ще кислотою в розумінні Бронстеда-Лоурі? Так, але це вимагає від нас зрозуміти, що насправді відбувається, коли HCl розчиняється у воді. Нагадаємо, що атом водню - це єдиний протон, оточений одним електроном. Щоб зробити іон водню, видаляємо електрон, залишаючи оголений протон. Чи справді у нас є голі протони, що плавають у водному розчині? Ні, ми цього не робимо. Що насправді відбувається, так це те, що іон Н + приєднується до H 2 O, щоб зробити H 3 O +, який називається іоном гідронію. Для більшості цілей H + і H 3 O + представляють один і той же вид, але написання H 3 O + замість H + показує, що ми розуміємо, що в розчині немає голих протонів. Швидше, ці протони насправді прикріплені до молекул розчинника.

    Іон гідроній

    Протон у водному розчині може бути оточений більш ніж однією молекулою води, що призводить до формул, як\(\ce{H5O2^{+}}\) або,\(\ce{H9O4^{+}}\) скоріше, ніж\(\ce{H3O^{+}}\). Простіше, однак, використовувати\(\ce{H3O^{+}}\) для представлення іона гідронію.

    альт

    Маючи це на увазі, як ми визначаємо HCl як кислоту в сенсі Бронстеда-Лоурі? Розглянемо, що відбувається, коли HCl розчиняється в Н 2 О:

    \[\ce{HCl(g) + H_2O (ℓ) \rightarrow H_3O^{+}(aq) + Cl^{−}(aq) }\label{Eq2}\]

    Ми можемо зобразити цей процес за допомогою електронно-точкових діаграм Льюїса:

    альт

    Тепер ми бачимо, що іон водню переноситься з молекули HCl до молекули H 2 O, утворюючи іони хлориду та іони гідронію. Як донор іонів водню, HCl діє як кислота Бронстеда-Лоурі; як акцептор іонів водню, H 2 O є основою Бронстеда-Лоурі. Так HCl є кислотою не тільки в Arrhenius сенсі, але і в Brønsted-Lowry сенсі. Більше того, за визначеннями Бренстеда-Лоурі, H 2 O є основою в утворенні водного HCl. Отже, визначення Brønsted-Lowry кислоти та основи класифікують розчинення HCl у воді як реакцію між кислотою та основою, хоча визначення Arrhenius не позначило б H 2 O основою в цій обставині.

    • Кислота Бронстеда-Лоурі є донором протона (іона водню).
    • Основа Бронстеда-Лоурі - це протонний (іон водню) акцептор.
    • Усі кислоти та основи Arrhenius також є кислотами та основами Brønsted-Lowry. Однак не всі кислоти та основи Бронстеда-Лоурі є кислотами та основами Arrhenius.
    Приклад\(\PageIndex{1}\)

    Анілін (C 6 H 5 NH 2) слабо розчинний у воді. Він має атом азоту, який може приймати іон водню з молекули води, як це робить атом азоту в аміаку. Напишіть хімічне рівняння для цієї реакції та визначте кислоту та основу Бронстеда-Лоурі.

    Рішення

    C 6 H 5 NH 2 і H 2 O є реагентами. Коли C 6 H 5 NH 2 приймає протон з H 2 O, він отримує додатковий H і позитивний заряд і залишає OH − іон позаду. Реакція наступна:

    \[\ce{C6H5NH2(aq) + H2O(ℓ) <=> C6H5NH3^{+}(aq) + OH^{−}(aq)} \nonumber\]

    Оскільки C 6 H 5 NH 2 приймає протон, це основа Бронстеда-Лоурі. Молекула H 2 O, оскільки вона дарує протон, є кислотою Бронстеда-Лоурі.

    Вправа\(\PageIndex{1}\)

    Визначте кислоту Бренстеда-Лоурі та основу Бренстеда-Лоурі в цьому хімічному рівнянні.

    \[\ce{H2PO4^{-} + H_2O <=> HPO4^{2-} + H3O^{+}}\]

    Відповідь
    Розморожено-Lowry кислота: H 2 PO 4 -; Бронстед-Лоурі основа: H 2 O
    Вправа\(\PageIndex{2}\)

    Яке з перерахованих нижче сполук є основою Бронстеда-Лоурі?

    1. HCl
    2. ГПО 4 2 -
    3. Н 3 ПОЗ 4
    4. NH 4 +
    5. СН 3 Н 3 +
    Відповідь

    База Бронстеда-Лоурі - це протонний акцептор, що означає, що він буде приймати H +. Це усуває\(\ce{HCl}\)\(\ce{H3PO4}\),\(\ce{NH4^{+}}\) і\(\ce{CH_3NH_3^{+}}\) тому вони є Бронстед-Лоурі кислотами. Всі вони віддають протони. У випадку з\(\ce{HPO4^{2-}}\), розглянемо наступне рівняння:

    \[\ce{HPO4^{2-} (aq) + H2O (l) \rightarrow PO4^{3-} (aq) + H3O^{+}(aq) } \nonumber\]

    Тут зрозуміло, що HPO 4 2 - це кислота, оскільки вона дарує протон воді, щоб зробити H 3 O + та PO 4 3 -. Тепер розглянемо наступне рівняння:

    \[ \ce{ HPO4^{2-}(aq) + H2O(l) \rightarrow H2PO4^{-} + OH^{-}(aq)} \nonumber\]

    У цьому випадку HPO 4 2 - є основою, оскільки приймає протон з води для утворення H 2 PO 4 - і OH -. Таким чином, ГПО 4 2 - це кислота і основа разом, що робить її амфотерною.

    Оскільки ГПО 4 2 - це єдине з'єднання з варіантів, яке може виступати в якості основи, відповідь буде (б) ГПО 4 2 -.

    Сполучений кислотно-лужний пара

    Насправді всі кислотно-лужні реакції передбачають перенесення протонів між кислотами і підставами. Для прикладу розглянемо кислотно-лужну реакцію, яка відбувається при розчиненні аміаку у воді. Молекула води (функціонує як кислота) переносить протон до молекули аміаку (функціонуючої як основа), отримуючи кон'югатну основу води\(\ce{OH^-}\), і кон'югатну кислоту аміаку,\(\ce{NH4+}\):

    Ця фігура має три частини в два ряди. У першому ряду показані дві діаграми кислотно-лужних пар. Ліворуч показана модель заповнення простору H індексу 2 O з червоним атомом O в центрі та двома меншими білими атомами H, прикріпленими у зігнутій формі. Над цією моделлю розміщена мітка «H dincript 2 O (acid)» фіолетового кольору. Стрілка вказує праворуч, яка позначена «Видалити H верхній індекс плюс». Праворуч знаходиться ще одна модель заповнення простору з одним червоним атомом O, до якого прикріплений один менший білий атом H. Мітка фіолетового кольору над цією моделлю говорить: «O H верхній індекс негативний (сполучена основа)». Над обома цими червоними і білими моделями знаходиться спрямована вгору дужка, яка позначена як «Сполучений кислотно-лужна пара». Праворуч знаходиться модель заповнення простору з центральним синім атомом N, до якого три менших білих атома H прикріплені в трикутному розташуванні піраміди. Мітка зеленим кольором вище говорить «N H індекс 3 (основа)». Стрілка з написом «Додати H верхній індекс плюс» вказує праворуч. Праворуч від стрілки знаходиться ще одна модель заповнення простору з синім центральним атомом N і чотирма меншими білими атомами H в чотиригранному розташуванні. Зелена мітка вище читає «N H індекс 3 верхній індекс плюс (кон'югатна кислота)». Над обома цими синіми та білими моделями знаходиться спрямована вгору дужка, яка позначена «Сполученими кислотно-лужною парою». Другий рядок малюнка показує хімічну реакцію, H індекс 2 O (l) показаний фіолетовим кольором, а нижче позначений фіолетовим кольором як «кислота», плюс N H індекс 3 (a q) зеленим кольором, позначений нижче зеленим кольором як «база», а потім двостороння стрілка зі стрілкою та O H верхній індекс негативний (a q) фіолетовим кольором, позначений у фіолетовий як «сполучена основа», плюс N H індекс 4 верхній індекс плюс (a q)» зеленим кольором, який позначений зеленим кольором як «кон'югатна кислота». Кислота з лівого боку рівняння з'єднується з сполученою основою праворуч фіолетовою лінією. Аналогічно підстава зліва з'єднується з кон'югатной кислотою з правого боку.

    У реакції аміаку з водою для отримання іонів амонію і гідроксиду іонів аміак виступає в якості основи, приймаючи протон з молекули води, що в даному випадку означає, що вода діє як кислота. У зворотній реакції іон амонію діє як кислота, передаючи протон гідроксидному іону, а гідроксид-іон виступає в якості основи. Сполученими парами кислота-основа для цієї реакції є\(NH_4^+/NH_3\) і\(H_2O/OH^−\).

    альт
    Малюнок\(\PageIndex{1}\). Спарювання батьківських кислот і підстав з кон'югатними кислотами і підставами.
    альт
    Малюнок\(\PageIndex{1}\): Відносні сили деяких поширених сполучених кислотно-лужних пар. Найсильніші кислоти знаходяться внизу зліва, а найсильніші основи - вгорі праворуч. Кон'югатна основа сильної кислоти - дуже слабка основа, і, навпаки, кон'югатна кислота міцної основи - дуже слабка кислота.
    Приклад\(\PageIndex{2}\)

    Визначте сполучені кислотно-лужні пари в цій рівновазі.

    \[\ce{CH3CO2H + H2O <=> H3O^{+} + CH3CO2^{-}} \nonumber\]

    Рішення

    Аналогічно в реакції оцтової кислоти з водою оцтова кислота дарує протон воді, який виступає в ролі основи. У зворотній реакції\(H_3O^+\) - це кислота, яка дарує протон ацетатному іону, який діє як основа.

    Ще раз маємо дві спряжені кислотно-лужні пари:

    • материнська кислота і її кон'югатна основа (\(CH_3CO_2H/CH_3CO_2^−\)) і
    • батьківська основа і її кон'югатна кислота (\(H_3O^+/H_2O\)).

    альт

    Приклад\(\PageIndex{3}\)

    Визначте сполучені кислотно-лужні пари в цій рівновазі.

    \[(CH_{3})_{3}N + H_{2}O\rightleftharpoons (CH_{3})_{3}NH^{+} + OH^{-} \nonumber\]

    Рішення

    Одна пара - H 2 O і OH −, де H 2 O має ще одну H + і є кон'югованою кислотою, тоді як OH - має на одну меншу H + і є сполученою основою.

    Інша пара складається з (СН 3) 3 N і (CH 3) 3 NH +, де (CH 3) 3 NH + - сполучений кислота (вона має додатковий протон) і (СН 3) 3 Н є кон'югатною основою.

    Вправа\(\PageIndex{3}\)

    Визначте сполучені кислотно-лужні пари в цій рівновазі.

    \[\ce{NH2^{-} + H2O\rightleftharpoons NH3 + OH^{-}} \nonumber\]

    Відповідь
    H 2 O (кислота) і OH − (основа); NH 2 − (основа) і NH 3 (кислота)