8.5: Кислотно-лужні визначення

Last updated
Save as PDF

Page ID: 23165

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

Результати навчання

Опишіть властивості кислот і підстав.
Визначте кислоту та основу відповідно до теорії Арренія.
Визначте кислоту та основу відповідно до теорії Бронстеда-Лоурі.
Визначте кон'югатні кислотно-лужні пари в кислотно-лужній реакції Бронстеда-Лоурі.

Кислотно-лужні властивості

Кислоти дуже поширені в деяких продуктах, які ми їмо. Цитрусові, такі як апельсини і лимони, містять лимонну кислоту і аскорбінову кислоту, яка більше відома як вітамін С (див. Малюнок нижче). Газовані газовані напої містять фосфорну кислоту. Оцет містить оцтову кислоту. Ваш власний шлунок використовує соляну кислоту для перетравлення їжі. Бази менш поширені як продукти харчування, але вони, тим не менш, присутні в багатьох побутових товарах (див. Малюнок нижче). Багато очищувачі містять аміак, основу. Гідроксид натрію міститься в дренажному очищувачі. Антациди, які борються з надлишком шлункової кислоти, складаються з основ, таких як гідроксид магнію або гідрокарбонат натрію.

Кислоти

Кислоти є окремим класом сполук через властивості їх водних розчинів. Ці властивості викладені нижче.

Водні розчини кислот є електролітами, що означає, що вони проводять електричний струм. Деякі кислоти є сильними електролітами, оскільки вони повністю іонізуються у воді. Інші кислоти - слабкі електроліти, які частково іонізуються при розчиненні у воді.
Кислоти мають кислий смак. Лимони, оцет та кислі цукерки містять кислоти.
Кислоти змінюють колір деяких кислотно-лужних показників. Два загальних показника - лакмус і фенолфталеїн. Лакмус червоніє в присутності кислоти, в той час як фенолфталеїн безбарвний.
Кислоти реагують з деякими металами з отриманням газоподібного водню
Кислоти вступають в реакцію з підставами, утворюючи сіль і воду. При з'єднанні рівних молей кислоти і основи кислота нейтралізується підставою. Виробляються вода і іонне з'єднання, яке називається сіллю.

Основи

Основи мають властивості, які здебільшого контрастують з властивостями кислот.

Водні розчини основ також є електролітами. Підстави можуть бути як сильними, так і слабкими, так само, як і кислоти.
Основи часто мають гіркий смак і містяться в продуктах харчування рідше, ніж кислоти. Багато основи, як і мило, слизькі на дотик.
Бази також змінюють колір індикаторів. Лакмус синіє при наявності основи (див. Малюнок нижче), в той час як фенолфталеїн стає рожевим.
Основи не реагують з металами так, як це роблять кислоти.
Основи вступають в реакцію з кислотами, утворюючи сіль і воду.

Арренієві кислоти та основи

Шведський хімік Сванте Арреніус (1859 - 1927) першим запропонував теорію для пояснення спостережуваної поведінки кислот і підстав. Через їх здатності проводити струм він знав, що і кислоти, і основи містять іони в розчині. Арренієва кислота - це сполука, яка іонізується, щоб отримати іони водню\(\left( \ce{H^+} \right)\) у водному розчині. Основа Arrhenius - це сполука, яка іонізується з отриманням гідроксидних іонів\(\left( \ce{OH^-} \right)\) у водному розчині.

Арренієві кислоти

Кислоти - молекулярні сполуки з іонізуючими атомами водню. Тільки атоми водню, що входять до складу високополярного ковалентного зв'язку, є іонізуючими. Атом водню притягується до одинокої пари електронів у молекулі води\(\ce{HCl}\) при розчиненні у воді. Результатом є те, що\(\ce{H-Cl}\) зв'язок розривається, причому обидва зв'язку електронів залишаються з собою\(\ce{Cl}\), утворюючи хлорид-іон. \(\ce{H^+}\)Іон прикріплюється до молекули води, утворюючи багатоатомний іон, званий іоном гідронію. Іон гідронію\(\left( \ce{H_3O^+} \right)\) можна розглядати як молекулу води з приєднаним іоном водню.

Рівняння, що показують іонізацію кислоти у воді, часто спрощуються, пропускаючи молекулу води.

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

Це всього лише спрощення попереднього рівняння, але воно зазвичай використовується. Будь-які іони водню у водному розчині будуть приєднані до молекул води як іони гідронію\(\ce{H_3O^+}\), навіть якщо це записано як\(\ce{H^+}\).

Не всі атоми водню в молекулярних сполуках є іонізуючими. У метані\(\left( \ce{CH_4} \right)\) атоми водню ковалентно пов'язані з вуглецем в зв'язках, які лише трохи полярні. Атоми водню не здатні до іонізації, а метан не має кислих властивостей. Оцтова кислота\(\left( \ce{CH_3COOH} \right)\) (див. Малюнок нижче) відноситься до класу кислот, званих карбоновими кислотами. У молекулі є чотири атоми водню, але тільки той водень, який пов'язаний з атомом кисню, є іонізуючим.

У таблиці нижче перераховані деякі найбільш поширені кислоти.

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Загальні кислоти
Кислотна назва	Формула
соляна кислота	\(\ce{HCl}\)
азотна кислота	\(\ce{HNO_3}\)
сірчана кислота	\(\ce{H_2SO_4}\)
фосфорна кислота	\(\ce{H_3PO_4}\)
оцтова кислота	\(\ce{CH_3COOH}\)
хлорноватиста кислота	\(\ce{HClO}\)

Монопротоновая кислота - це кислота, яка містить всього один іонізуючий водень. Соляна кислота і оцтова кислоти - це монопротонові кислоти. Поліпротова кислота - це кислота, яка містить множинні іонізуючі водні. Найбільш поширеними поліпротовими кислотами є або дипротоновая (наприклад\(\ce{H_2SO_4}\)), або трипротова (наприклад\(\ce{H_3PO_4}\)).

Основи Арренія

Основи - це іонні сполуки, які виділяють\(\left( \ce{OH^-} \right)\) гідроксид-іон при дисоціації у воді. У таблиці нижче перераховано кілька найбільш поширених баз.

Таблиця\(\PageIndex{2}\): Загальні основи
Назва бази	Формула
Гідроксид натрію	\(\ce{NaOH}\)
Гідроксид калію	\(\ce{KOH}\)
Гідроксид магнію	\(\ce{Mg(OH)_2}\)
гідроксид кальцію	\(\ce{Ca(OH)_2}\)

Всі підстави, перераховані в таблиці, є твердими речовинами кімнатної температури. При розчиненні у воді кожен дисоціює на катіон металу і гідроксид-іон.

\[\ce{NaOH} \left( s \right) \overset{\ce{H_2O}}{\rightarrow} \ce{Na^+} \left( aq \right) + \ce{OH^-} \left( aq \right)\]

Гідроксид натрію - дуже їдка речовина, також відома як луг. луг використовується як суворий очищувач і є інгредієнтом при виготовленні мила. Необхідно дотримуватися обережності з міцними основами, такими як гідроксид натрію, так як вплив може призвести до сильних опіків (див. Малюнок нижче).

Бронстед-Lowry кислоти і основи

Визначення Arrhenius кислот і підстав дещо обмежене. Є деякі сполуки, властивості яких свідчать про те, що вони є або кислими, або основними, але які не кваліфікуються відповідно до визначення Арренія. Прикладом може служити аміак\(\left( \ce{NH_3} \right)\). Водний розчин аміаку стає лакмусовим синім, вступає в реакцію з кислотами, проявляє різні інші властивості, загальні для підстав. Однак він не містить гідроксид-іона. У 1923 році більш широке визначення кислот і основ було самостійно запропоновано датським хіміком Йоханнесом Бронстедом (1879 - 1947) і англійським хіміком Томасом Лоурі (1874 - 1936). Кислота Бронстеда-Лоурі - це молекула або іон, який дарує іон водню в реакції. Основа Бронстеда-Лоурі - це молекула або іон, який приймає іон водню в реакції. Оскільки найпоширеніший ізотоп водню складається з одного протона і одного електрона, іон водню (в якому був видалений єдиний електрон) зазвичай називають протоном. В результаті кислоти та основи часто називають донорами протонів та акцепторами протонів відповідно відповідно відповідно до визначення Бронстеда-Лоурі. Усі речовини, які класифікуються як кислоти та основи під визначенням Arrhenius, також визначаються як такі під визначенням Бронстеда-Лоурі. Нове визначення, однак, включає деякі речовини, які залишаються поза увагою відповідно до визначення Арренія.

Brønsted-Lowry Кислотно-лужні реакції

Кислотно-лужна реакція за визначенням Бронстеда-Лоурі - це перенесення протона з однієї молекули або іона в іншу. При розчиненні аміаку у воді він проходить наступну оборотну реакцію.

\[\begin{array}{ccccccc} \ce{NH_3} \left( aq \right) & + & \ce{H_2O} \left( l \right) & \rightleftharpoons & \ce{NH_4^+} \left( aq \right) & + & \ce{OH^-} \left( aq \right) \\ \text{base} & & \text{acid} & & \text{acid} & & \text{base} \end{array}\]

У цій реакції молекула води дарує протон молекулі аміаку. Отримані продукти - іон амонію і гідроксид-іон. Вода діє як кислота Brønsted-Lowry, тоді як аміак діє як основа Бронстед-Лоурі. Гідроксид-іон, який виробляється, призводить до того, що розчин є основним.

Ми також можемо розглянути зворотну реакцію в наведеному вище рівнянні. У цій реакції іон амонію передає протон гідроксидному іону. Іон амонію - це кислота Бронстеда-Лоурі, тоді як гідроксидний іон є основою Бронстеда-Лоурі. Більшість кислотно-лужних реакцій Бронстеда-Лоурі можна проаналізувати таким чином. Є одна кислота і одна основа як реагенти, а одна кислота і одна основа як продукти.

У вищевказаній реакції вода виступала в ролі кислоти, яка може здатися трохи несподіваною. Вода також може виступати в якості основи в кислотно-лужній реакції Бронстеда-Лоурі, якщо вона реагує з речовиною, яка є кращим донором протонів. Нижче показана реакція води з іоном сульфату водню.

\[\begin{array}{ccccccc} \ce{HSO_4^-} \left( aq \right) & + & \ce{H_2O} \left( l \right) & \rightleftharpoons & \ce{H_3O^+} \left( aq \right) & + & \ce{SO_4^{2-}} \left( aq \right) \\ \text{acid} & & \text{base} & & \text{acid} & & \text{base} \end{array}\]

Вода здатна бути або кислотою, або основою, характеристикою називається амфотеризм. Амфотерна речовина - це та, яка здатна діяти як кислота або основа, жертвуючи або приймаючи іони водню.

Кон'югатні кислоти та основи

Коли речовина, яка діє як кислота Бронстеда-Лоурі, здає свій протон, вона стає основою в зворотній реакції. У вищеописаній реакції іон сульфату\(\left( \ce{HSO_4^-} \right)\) водню дарує протон воді і стає сульфатним іоном\(\left( \ce{SO_4^{2-}} \right)\). The\(\ce{HSO_4^-}\) і\(\ce{SO_4^{2-}}\) пов'язані один з одним наявністю або відсутністю\(\ce{H^+}\) іона. Кон'югатна кислотно-лужна пара - це пара речовин, пов'язаних втратою або посиленням одного іона водню. Кон'югатна кислота - це частинка, що утворюється, коли основа приймає протон. Іон сульфату водню - це кон'югатна кислота сульфатного іона. Кон'югатна основа - це частинка, що утворюється, коли кислота дарує протон. Сульфат-іон є кон'югатною основою іона сульфату водню.

Типова кислотно-лужна реакція Brønsted-Lowry містить дві кон'югатні кислотно-лужні пари, як показано нижче.

\[\ce{HNO_2} \left( aq \right) \ce{PO_4^{3-}} \left( aq \right) \rightleftharpoons \ce{NO_2^-} \left( aq \right) + \ce{HPO_4^{2-}} \left( aq \right)\]

Одна спряжена кислотно-лужна пара є\(\ce{HNO_2}/\ce{NO_2^-}\), тоді як інша пара є\(\ce{HPO_4^{2-}}/\ce{PO_4^{3-}}\).

Буферні системи в крові мають кон'югатні кислотно-лужні пари, які допомагають підтримувати правильну концентрацію кислоти та основи в крові.

Таблиця\(\PageIndex{3}\): Кислотно-лужні визначення
Тип	Кислота	База
Арреній	\(\ce{H^+}\)іони в розчині	\(\ce{OH^-}\)іони в розчині
Бронстед-Лоурі	\(\ce{H^+}\)донор	\(\ce{H^+}\)акцептор

Додаткові ресурси

Кислотно-лужні теорії: http://www.kentchemistry.com/links/A...seTheories.htm
Теорії кислот і основ: http://www.chemguide.co.uk/physical/... /theories.html