7.2: Кислоти та основи

Last updated
Save as PDF

Page ID: 20269

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

Цілі навчання

Визначте арренієву кислоту та основу Arrhenius.
Визначте кислоту Бронстеда-Лоурі та основу Бронстеда-Лоурі.
Напишіть хімічні реакції між кислотою Arrhenius і основою Arrhenius і між Бронстед-Лоурі кислотою і основою Brønsted-Lowry.

Існує три основні класифікації речовин, відомих як кислоти або основи. Визначення Arrhenius стверджує, що кислота виробляє Н ⁺ в розчині, а основа виробляє ОН ^-. Ця теорія була розроблена Сванте Арреніусом в 1883 році. Пізніше були запропоновані ще дві витончені і загальні теорії. Це Бронстед-Лоурі і Льюїс визначення кислот і підстав. Теорія Льюїса обговорюється в іншому місці.

Льюїс, Бронстед-Лоуері, Арреніус способи мислення кислот і основ — Рисунок Теорії реакції\(\PageIndex{1}\) кислотної основи як моделі надмножин та підмножин.

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.

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

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:

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

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

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

У цій реакції гідроксид натрію (NaOH) при розчиненні у воді диасоціюється 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-. Також визначення Arrhenius кислоти і основи обмежується водними (тобто водними) 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 (ПД), тоді як основа Бронстеда-Лоурі - це акцептор протонів (ПА).

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 (рис.\(\PageIndex{2}\)):

Малюнок\(\PageIndex{2}\) реакції аміаку і води.

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 гідронію

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.

Рисунок\(\PageIndex{3}\) реакції водню і води з утворенням гідронію. (КУБ.СМ ПО-НК 3,0

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 (рис.\(\PageIndex{4}\)):

Малюнок\(\PageIndex{4}\) Льюїса електронно-точкова діаграма HCl, розчиненого в H ₂

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.

Короткий зміст кислотно-лужних визначень, заснованих на теоріях Арренія і Бронстаса-Лоурі, наведено в табл\(\PageIndex{1}\).

Таблиця ***\(\PageIndex{1}\)****кислотно-лужних визначень*
Тип	Кислота	База
Арреній	\(\ce{H^+}\)іони в розчині	\(\ce{OH^-}\)іони в розчині
Бронстед-Лоурі	\(\ce{H^+}\)донор	\(\ce{H^+}\)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 так само, 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.

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

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?

HCl
ГПО ₄ ² ^-
Н ₃ ПОЗ ₄
NH ₄ ⁺
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 разі\(\ce{HPO4^{2-}}\), 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 ^-.

Резюме

Арренієва кислота - це сполука, яка збільшує концентрацію іонів H ⁺, а основа Арреніуса - сполука, яка збільшує концентрацію OH ⁻ іонів у водному розчині.
Кислота Бронстеда-Лоурі є донором протонів; основа Бронстеда-Лоурі - це акцептор протонів.
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.

Автори та атрибуція

Libretext: The Basics of GOB Chemistry (Ball et al.)
Template:ContribAgnewM
Libretext: Chemistry for Allied Health (Soult)