Teoria kwasowo-zasadowa Brønsteda-Lowry'ego - Brønsted–Lowry acid–base theory
Teoria Brønsteda-Lowry'ego (zwana również protonową teorią kwasów i zasad ) to teoria reakcji kwasowo-zasadowej, która została zaproponowana niezależnie przez Johannesa Nicolausa Brønsteda i Thomasa Martina Lowry'ego w 1923 roku. Fundamentalną koncepcją tej teorii jest to, że gdy kwas i a zasady reagują ze sobą, kwas tworzy swoją sprzężoną zasadę , a zasada tworzy sprzężony kwas przez wymianę protonu (kationu wodorowego lub H + ). Ta teoria jest uogólnieniem teorii Arrheniusa .
Definicje kwasów i zasad
W teorii Arrheniusa kwasy definiuje się jako substancje, które dysocjują w roztworze wodnym z wytworzeniem H + (jony wodorowe), podczas gdy zasady definiuje się jako substancje, które dysocjują w roztworze wodnym z wytworzeniem OH − (jony wodorotlenkowe).
W 1923 r. fizykochemicy Johannes Nicolaus Brønsted z Danii i Thomas Martin Lowry z Anglii niezależnie wysunęli teorię, która nosi ich imiona. W teorii Brønsteda-Lowry'ego kwasy i zasady są definiowane przez sposób, w jaki reagują ze sobą, co pozwala na większą ogólność. Definicja jest wyrażona w postaci wyrażenia równowagi
- kwas + zasada ⇌ koniugat zasada + koniugat kwas .
W przypadku kwasu HA równanie można zapisać symbolicznie jako:
Znak równowagi, ⇌, jest używany, ponieważ reakcja może zachodzić zarówno w kierunku do przodu, jak i do tyłu. Kwas, HA, może stracić proton, aby stać się jego sprzężoną zasadą, A − . Zasada B może przyjąć proton, aby stać się jego sprzężonym kwasem, HB + . Większość reakcji kwasowo-zasadowych przebiega szybko tak, że składniki reakcji są zwykle w dynamicznej równowadze ze sobą.
Roztwory wodne
Rozważ następującą reakcję kwasowo-zasadową:
Kwas octowy , CH 3 COOH, jest kwasem, ponieważ oddaje proton wodzie (H 2 O) i staje się jej sprzężoną zasadą, jonem octanowym (CH 3 COO − ). H 2 O jest zasadą, ponieważ przyjmuje proton z CH 3 COOH i staje się jego sprzężonym kwasem, jonem hydroniowym (H 3 O + ).
Odwrotność reakcji kwasowo-zasadowej jest również reakcją kwasowo-zasadową, między sprzężonym kwasem zasady w pierwszej reakcji a sprzężoną zasadą kwasu. W powyższym przykładzie octan jest zasadą reakcji odwrotnej, a jon hydroniowy jest kwasem.
Siła teorii Brønsteda-Lowry'ego polega na tym, że w przeciwieństwie do teorii Arrheniusa nie wymaga ona kwasu do dysocjacji.
Substancje amfoteryczne
Istotą teorii Brønsteda-Lowry'ego jest to, że kwas jako taki istnieje tylko w stosunku do zasady i na odwrót . Woda jest amfoteryczna, ponieważ może działać jako kwas lub jako zasada. Na rysunku pokazanym po prawej jedna cząsteczka H 2 O działa jako zasada i zyskuje H +, aby stać się H 3 O +, podczas gdy druga działa jak kwas i traci H +, aby stać się OH − .
Inny przykład dostarczają substancje takie jak wodorotlenek glinu , Al(OH) 3 .
- , działający jak kwas
- , działając jako baza
Roztwory bezwodne
Jon wodorowy lub jon hydroniowy jest kwasem Brønsteda-Lowry'ego w roztworach wodnych, a jon wodorotlenkowy jest zasadą, dzięki reakcji samodysocjacji
Analogiczna reakcja zachodzi w ciekłym amoniaku
Tak więc jon amonowy, NH+
4, odgrywa taką samą rolę w ciekłym amoniaku, jak jon hydroniowy w wodzie i jon amidowy, NH−
2, jest analogiczny do jonu wodorotlenowego. Sole amonowe zachowują się jak kwasy, a amidy zachowują się jak zasady.
Niektóre rozpuszczalniki niewodne mogą zachowywać się jak zasady, czyli akceptory protonów, w stosunku do kwasów Brønsteda-Lowry'ego.
gdzie S oznacza cząsteczkę rozpuszczalnika. Najważniejszą takich rozpuszczalników są dimetylosulfotlenek , DMSO i acetonitryl , CH 3 CN, ponieważ te rozpuszczalniki, które są szeroko stosowane do pomiaru kwasów stałe dysocjacji cząsteczek organicznych. Ze względu DMSO jest silniejsze niż akceptora protonów H 2 O kwas staje się mocniejszym kwasem w tym rozpuszczalniku niż w wodzie. Rzeczywiście, wiele cząsteczek zachowuje się jak kwasy w roztworach niewodnych, które nie zachowują się tak w roztworze wodnym. Skrajny przypadek występuje w przypadku kwasów węglowych , gdzie proton jest ekstrahowany z wiązania CH.
Niektóre rozpuszczalniki niewodne mogą zachowywać się jak kwasy. Rozpuszczalnik kwasowy zwiększy zasadowość rozpuszczonych w nim substancji. Na przykład, związek CH 3 COOH znany jako kwas octowy , ponieważ jego właściwości kwasowe w wodzie. Zachowuje się jednak jak zasada w ciekłym chlorowodorze , znacznie bardziej kwaśnym rozpuszczalniku.
Porównanie z teorią kwasowo-zasadową Lewisa
W tym samym roku, w którym Brønsted i Lowry opublikowali swoją teorię, GN Lewis zaproponował alternatywną teorię reakcji kwasowo-zasadowych. Teoria Lewisa opiera się na strukturze elektronowej . Zasadę Lewisa definiowany jest jako związek, który może oddania pary elektronów z kwasem Lewisa , związek, który może przyjąć pary elektronów. Propozycja Lewisa daje wyjaśnienie klasyfikacji Brønsteda-Lowry'ego pod względem struktury elektronowej.
W tej reprezentacji zarówno zasada B, jak i sprzężona zasada A − niosą wolną parę elektronów, a proton, który jest kwasem Lewisa, jest przenoszony między nimi.
Lewis napisał później w „Ograniczenie grupy kwasów do tych substancji, które zawierają wodór, tak poważnie koliduje z systematycznym rozumieniem chemii, jak ograniczenie terminu utleniacz do substancji zawierających tlen ”. Lewis teoretycznej kwas, i zasadą, B : tworzą addukt, AB, w którym para elektronowa jest stosowana w celu utworzenia celownika kowalencyjne wiązanie między A i B. Jest to zilustrowane tworzenie adduktu H 3 N-BF 3 z amoniaku i trifluorku boru , reakcja, która nie może zachodzić w roztworze wodnym, ponieważ trifluorek boru gwałtownie reaguje z wodą w reakcji hydrolizy.
Reakcje te ilustrują, że BF 3 jest kwasem w obu klasyfikacjach Lewisa i Brønsteda-Lowry'ego i podkreśla spójność między obiema teoriami.
Kwas borowy jest rozpoznawany jako kwas Lewisa ze względu na reakcję
W tym przypadku kwas nie dysocjuje, dysocjuje zasada, H 2 O. Roztwór B(OH) 3 jest kwaśny, ponieważ w tej reakcji uwalniane są jony wodorowe.
Istnieją mocne dowody na to, że rozcieńczone wodne roztwory amoniaku zawierają znikome ilości jonu amonowego
a po rozpuszczeniu w wodzie amoniak działa jako zasada Lewisa.
Porównanie z teorią Lux-Flood
Reakcje między tlenkami w stanie stałym lub ciekłym nie są uwzględnione w teorii Brønsteda-Lowry'ego. Na przykład reakcja
nie wchodzi w zakres definicji kwasów i zasad Brønsteda-Lowry'ego. Z drugiej strony tlenek magnezu działa jak zasada, gdy reaguje z wodnym roztworem kwasu.
Przewiduje się, że rozpuszczony SiO 2 jest słabym kwasem w sensie Brønsteda-Lowry'ego.
Według teorii Lux przeciwpowodziowa związki, takie jak MgO i SiO 2 w stanie stałym mogą być sklasyfikowane jako kwasy lub zasady. Na przykład, składnik mineralny oliwin mogą być traktowane jako związku zasadowego tlenku, MgO, z kwaśnym tlenkiem, krzemionka, SiO 2 . Ta klasyfikacja jest ważna w geochemii .