1.18: Бронстед-низькі кислоти та основи (огляд)

Last updated
Save as PDF

Page ID: 22804

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

мета навчання

розпізнавати кислоти і основи

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:

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 водню

Протон у водному розчині може бути оточений більш ніж однією молекулою води, що призводить до формул, як\(\ce{H5O2^{+}}\) або,\(\ce{H9O4^{+}}\) скоріше, ніж\(\ce{H3O^{+}}\). Однак простіше використовувати для представлення\(\ce{H3O^{+}}\) 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 електронних точкових діаграм Льюїса:

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 арренієвими кислотами та основами.

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.

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

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-.

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,\(\ce{NH4+}\):

У реакції аміаку з водою для отримання іонів амонію та гідроксиду 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\(H_2O/OH^−\).

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.

Знову ж таки, у нас є дві сполучені пари кислота-основа:

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)