Теорія кислот та основ

Посилання на оригінальну статтю: http://www.chemguide.co.uk/physical/acidbaseeqia/theories.html
Translation made by OhMyEssay writers company.

Ця сторінка описує теорії кислот та основ Арреніуса, Брьонстеда-Лоурі та Льюїса, а також пояснює взаємозв’язок між ними. Вона також пояснює поняття кон’югованої пари – кислоти та її кон’югованої основи або основи та її кон’югованої кислоти.

Примітка: існуючі навчальні програми на англійській мові зосереджуються на теорії Брьонстеда-Лоурі, але ви також повинні знати про кислоти і основи Льюїса. Теорія Арреніуса має лише історичний інтерес, і вам навряд чи це буде цікаво, якщо ви не будете робити певну роботу над розвитком ідей в хімії.
Ця сторінка була перекладена на різні мови: голландська, естонська, французька, німецька, португальська, румунська та іспанська.
Я, очевидно, не можу гарантувати точність перекладів. Якщо ви вважаєте, що є проблема, зверніться безпосередньо до перекладачів – не до мене.

Теорія  кислот та основ Арреніуса

Теорія

  • Кислоти – це речовини, які утворюють іони водню в розчині.
  • Основи – це речовини, які утворюють іони гідроксиду в розчині.

Нейтралізація відбувається тому, що іони водню та гідроксид-іони реагують і утворюють воду.

Обмеження теорії

Соляна кислота нейтралізується як розчином гідроксиду натрію, так і розчином аміаку. У обох випадках ви отримуєте безбарвний розчин, який ви можете кристалізувати, щоб отримати білу сіль – хлорид натрію або хлорид амонію.

Це, безумовно, дуже подібні реакції. Повні рівняння:

У випадку гідроксиду натрію іони водню з кислоти реагують з гідроксидними іонами з гідроксиду натрію – відповідно до теорії Арреніуса.

Однак у випадку аміаку не існує ніяких іонів гідроксиду!

Але якщо ви уважно дивитесь на рівняння, аміак знаходиться в розчині – NH3 (aq). Аміак реагує з водою таким чином:

Це зворотна реакція, і в типовому розведеному розчині аміаку приблизно 99% аміаку залишається молекулами аміаку. Незважаючи на це, тут присутні іони гідроксиду, і вони реагують з іонами водню таким же чином, як іони гідроксиду з гідроксидом натрію.

Таким чином, ви можете просто обґрунтувати аміак як основу визначення Арреніуса – він виробляє іони гідроксиду в розчині. Але більша частина реакції буде пряма реакція між молекулами аміаку та іонами водню, яка не відповідає визначенню Арреніуса.

Ця ж реакція також відбувається між газоподібним аміаком та газом хлористого водню.

У цьому випадку у розчині немає іонів водню або іонів гідроксиду, оскільки немає розчину. Теорія Арреніуса не вважатиметься такою, як кислотно-основна реакція, незважаючи на те, що він виробляє той самий продукт, що й у тих випадках, коли ці дві речовини були розчинені. Це безглуздо!

Теорія кислот та основ Брьонстеда-Лоурі

Теорія

  • Кислота є донором протона (водневого іона).
  • База – акцептор протона (іонів водню).

Відносини між теорією Брьонстеда-Лоурі та теорією Арреніуса

Теорія Брьонстеда-Лоурі не йде проти теорії Арреніуса будь-яким чином – вона просто доповнює її.

Іони гідроксиду все ще є основами, оскільки приймають іони водню з кислот і утворюють воду.

Кислота утворює іони водню в розчині, тому що вона реагує з молекулами води, даючи їм протон.

Коли хлорид водню розчиняється у воді для одержання соляної кислоти, молекула водню хлориду дає протону (водневий іон) у молекулу води. Координаційний (донорно-акцепторний) зв’язок утворюється між однією з одиноких пар на кисень та водню з НСl. Виробляються іони гідроксонію, H3O +.

Примітка. Якщо ви не впевнені в координації з’єднання, слід дотримуватися цього посилання. Координаційні звязки будуть згадані кілька разів протягом усього курсу цієї сторінки.
Скористайтеся кнопкою BACK у своєму веб-переглядачі, щоб швидко повернутися на цю сторінку.

Коли кислота в розчині реагує з основою, що насправді функціонує, оскільки кислота є іоном гідроксонію. Наприклад, протон переноситься з іону гідроксонію в іоні гідроксиду для одержання води.

Показані електрони, але не виходять внутрішні:

Важливо усвідомлювати, що кожного разу, коли ви говорите про іони водню в розчині, H + (aq), ви маєте на увазііони гідроксонію.

Проблема хлористого водню / аміаку

Це вже не проблема з використанням теорії Брьонстеда-Лоурі. Якщо ви говорите про реакцію в розчині або у стані газу, аміак є основою, оскільки він приймає протон (водневий іон). Водень приєднується до одинокої пари на азот аміаку через координаційну зв’язок.

Якщо він знаходиться в розчині, аміак приймає протони з іону гідроксонію:

Якщо реакція відбувається в газовому стані, аміак приймає протони безпосередньо з хлориду водню:

У будь-якому випадку, аміак діє як основа, прийнявши іон водню з кислоти.

Кон’юговані пари

Коли хлорид водню розчиняється у воді, майже 100% його реагує з водою для отримання іонів гідроксонію та іонів хлориду. Водневий хлорид – сильна кислота, і ми схильні писати це як одностороння реакція:

Примітка: я навмисно прирав державні символи від цього і наступного рівняння, щоб зосередити увагу на важливих бітах. Ви знайдете більше про сильні та слабкі кислоти на іншій сторінці в цьому розділі.

Фактично, реакція між HCl і водою є зворотною, але лише в дуже незначній мірі. Щоб узагальнити, розглянемо кислоту HA, і подумайте про те, що реакція є оборотною.

Думаючи про передню реакцію:

  • HA – це кислота, оскільки вона пожертвувала протоном (водневий іон) у воду.
  • Вода є основою, оскільки вона приймає протон від HA.

Але існує також зворотна реакція між іоном гідроксонію та іоном А:

  • H3O + – це кислота, оскільки він пожертвуває протоном (водневий іон) на атомний іон.
  • А-іон є базою, оскільки він приймає протон з H3O +.

Оборотна реакція містить дві кислоти та дві основи. Ми думаємо про них попарно, називаючи спряженими парами.

Коли кислота, HA, втрачає протон, він утворює основу, A-. Коли база, A-, знову приймає протон, це, очевидно, відновлює кислоту, HA. Ці дві речовини є кон’югованими парами.

Члени кон’югованої пари відрізняються один від одного наявністю або відсутністю переносного водневого іона.

Якщо ви думаєте про HA як про кислоту, то A – це його кон’югована основа.

Якщо ви думаєте про А- як основу, то HA – це його сполучена кислота.

Вода та іон гідроксонію є також кон’югаованою парою. Думаючи про воду в якості основи, іон гідроксонію є його кон’югованою кислотою, оскільки вона має додатковий водневий іон, який він може знову віддати.

Подумавши про іон гідроксонію як кислоту, тоді вода є його кон’югатною основою. Вода може знову сприймати іон водню, щоб реформувати іон гідроксонію.

Другий зразок пар кон’югатів

Це реакція між аміаком та водою, яку ми розглядали раніше:

Подумайте спочатку про пряму реакцію. Аміак є основою, оскільки він приймає іони водню з води. Іон амонію – його кон’югована кислота – вона може звільнити іон водню ще раз, щоб реформувати аміак.

Вода діє як кислота, а її кон’югованою основою є іон гідроксиду. Іони гідроксиду можуть приймати водневий іон для реформування води.

Дивлячись на це з іншого боку, іон амонію є кислотою, а аміак – його кон’югована основа. Іони гідроксиду є основою, а вода – його кон’югована кислота.

Амфотерні речовини

Ви, можливо, помітили (хоча, ймовірно, ні!), Що в одному з останніх двох прикладів вода діє як основа, тоді як в іншому вона діє як кислота.

Субстанція, яка може діяти як кислота або основа, описана як амфотерна.

Примітка. Ви також можете зустріти термін “амфіпрот” у цьому контексті. Ці два слова пов’язані і легко плутаються.

Амфіпротонна речовина – така, яка може як подарувати іони водню (протони), так і прийняти їх. Вода є хорошим прикладом такої сполуки. Вода діє як кислота (дарує іони водню), так і як основа (приймаючи їх). “Протонна” частина слова означає іони водню (протони), які передаються або приймаються. Інші приклади амфіпротонних  сполук – це амінокислоти, а іони, такі як HSO4- (які можуть втратити водневий іон, утворюючи сульфатні іони, або прийняти його у формі сірчаної кислоти).

Але, як і амфіпротони, ці сполуки також амфотерні. Амфотерні означають, що вони мають реакції як на кислоти, так і на основи. Так яка різниця між двома термінами?

Всі амфіпротонні речовини також амфотерні, але зворотне неправда. Є амфотерні речовини, які не подають і не приймають іони водню, коли вони діють як кислоти чи основи. Існує ціле нове визначення кислотно-основної поведінки, про яку ви збираєтеся відповідати (теорія Льюїса), яка зовсім не обов’язково включає іони водню.

Льюїс – це акцептор електронної пари; база Льюїса – донор електронної пари (див. нижче).

Деякі оксиди металів (наприклад, оксид алюмінію) є амфотерними – вони реагують одночасно як на кислоти та основи. Наприклад, вони реагують як основи, оскільки іони оксиду приймають іони водню для одержання води. Це не проблема, оскільки стосується визначення амфіпротону, але реакція як кислота. Оксид алюмінію не містить іонів водню, щоб пожертвувати! Але оксид алюмінію реагує з основами, такими як розчин гідроксиду натрію, для утворення складних іонів алюмінію.

Ви можете думати про одиноких пар на іонах гідроксиду як до формування послідовних ковалентних (координатних) зв’язків з порожніми орбіталями в іонах алюмінію. Іони алюмінію приймають самотні пари (діючи як кислота Льюїса). Отже, оксид алюмінію може діяти як кислота, так і основа – і так амфотерно. Але це не амфіпротон, тому що як кислотна реакція, так і основна реакція не включають іони водню.

Я пройшов через 40 років навчання (в лабораторії, через книги та Інтернет), не використовуючи термін “амфіпротон”! Я просто не бачу точки зору. Термін “амфотер” вживає у всіх випадках речовини, що функціонують як без винятку як кислоти, так і основи. Термін “амфіпротон” може використовуватися тільки тоді, коли обидві ці функції пов’язані з перенесенням іонів водню – іншими словами, його можна використовувати лише у тому випадку, якщо ви обмежуєтесь лише теорією Брьонстеда-Лоурі. Особисто я б дотримувався більш старого, більш корисного, терміну “амфотерний”, якщо ваша програма не вимагає використання слова “амфіпротони”.

Теорія кислот і основ Льюїса

Ця теорія поширюється далеко за рамки тих речей, які ти звичайно думаєш, як кислоти та основи.

Теорія

  • Кислота є акцептором електронної пари.
  • База – це донор електронної пари.

Відносини між теорією Льюїса і теорією Брьонстеда-Лоурі

Бази Льюїса

Найлегше побачити відносини, дивлячись на те, що саме робить Брьонстед-Лоурі, приймаючи іони водню. Три бази Брьонстеда-Лоурі, які ми розглядали, – іони гідроксиду, аміак та вода, і вони характерні для всього іншого.

Теорія Брьонстеда-Лоурі говорить, що вони діють як основи, оскільки вони поєднуються з іонами водню. Причиною, з якою вони поєднуються з іонами водню, є те, що вони мають самотні пари електронів, про що говорить теорія Льюїса. Ці два цілком узгоджені.

Отже, як це розширює поняття бази? На даний момент це не так – він просто дивиться на нього з іншого боку.

Але як щодо інших подібних реакцій аміаку або води, наприклад? За теорією Льюїса будь-яка реакція, в якій аміак або вода використовувала їх самотні пари електронів, щоб утворити координаційну зв’язок, будуть вважатися такими, що діють як база.

Ось така реакція, про яку ви поговорите, на сторінці, що стосується координації зв’язків. Аміак реагує з BF3, використовуючи свою одиночну пару, щоб утворити координаційне з’єднання з порожньою орбіталлю бору.

Що стосується аміаку, то він поводиться точно так само, як коли він реагує з іоном водню – він використовує свою одиночну пару, щоб утворити координаційну зв’язок. Якщо ви збираєтеся описати його як основу в одному випадку, має сенс описати його як один у іншому випадку.

Примітка. Якщо ви ще не прочитали сторінку про координацію з’єднання, це потрібно зробити зараз. Ви знайдете важливий приклад того, що вода діє як база Льюїса, а також цей приклад – хоча термін “база Льюїса” не використовується на цій сторінці. Скористайтеся кнопкою BACK у своєму веб-переглядачі, щоб швидко повернутися на цю сторінку.

Кислоти Льюїса

Льюїс – це акцептори електронних пар. У наведеному вище прикладі, BF3 діє як кислота Льюїса шляхом прийняття самотньої пари азоту. У теорії Брьонстеда-Лоурі, у BF3 немає нічого віддаленого від кислоти.

Це продовження терміну “кислота” набагато більше, ніж будь-яке загальне вживання.

Що стосується більш очевидно кислотно-основних реакцій – як, наприклад, реакція між аміаком і хлористого водню?

Що точно прийняття одинокої пари електронів на азот. Підручники часто пишуть це так, ніби аміак дарує свою одиночну пару іону водню – простий протон без електронів навколо нього.

Це вводить в оману! Зазвичай ви не отримуєте вільних іонів водню в хімічних системах. Вони настільки реактивні, що вони завжди прикріплені до чогось іншого. У HCl немає ніяких сполучених водневих іонів.

На HCl, яка може приймати пару електронів, не існує порожньої орбіталі. Чому тоді HCl є кислотою Льюїса?

Хлор більш електронегативний, ніж водень, і це означає, що хлорид водню буде полярною молекулою. Електрони у воднево-хлорному зв’язку будуть притягатися до кінця хлору, залишаючи водень трохи позитивним, а хлор трохи негативний.

Примітка. Якщо ви не впевнені в електронегативності та полярності зв’язку, це може бути корисним для цього посилання.

Скористайтеся кнопкою BACK у своєму веб-переглядачі, щоб швидко повернутися на цю сторінку.

Одиночна пара на азоті молекули аміаку притягується до трохи позитивного атома водню в HCl. Коли він наближається до нього, електрони в зв’язках із воднем та хлору знову відбиваються до хлору.

Зрештою, між атомом азоту та воднем утворюється координаційна зв’язок, а хлор розривається як іон хлориду.

Це найкраще показано за допомогою “фігурної стрілки” позначень, які зазвичай використовуються в органічних реакційних механізмах.

Примітка: Якщо ви не задоволені використанням фігурних стріл, щоб показати рухи електронних пар, слід дотримуватися цього посилання.

Скористайтеся кнопкою BACK у своєму веб-переглядачі, щоб швидко повернутися на цю сторінку.

Вся молекула НСl діє як кислота Льюїса. Він приймає пару електронів з аміаку, і в процесі він розпадається. Льюїсові кислоти не обов’язково повинні мати існуючу порожню орбіталь.

Заключний коментар щодо кислот і основ Льюїса

Якщо ви є студентом рівня англійської мови, ви іноді можете зустріти терміни кислота Льюїса та база Льюїса в підручниках або інших джерелах. Все, що потрібно пам’ятати, це:

  • Кислота Льюїса – це акцептор електронної пари.
  • База Льюїса – донор електронної пари.

Примітка. Пам’ятайте це, думаючи про аміак, який діє як основа. Більшість людей на цьому рівні знайомі з реактивною одиночною парою на азот, що приймає іони водню. Аміак є основним через свою одиночну пару. Це означає, що основи мають бути одинокими парами, щоб пожертвувати. Кислоти – навпаки.

Для всіх загальних цілей, дотримуйтесь теорії Брьонстеда-Лоурі.

Питання для перевірки вашого розуміння

Якщо це перший набір питань, які ви зробили, прочитайте вступну сторінку, перш ніж почати. Вам доведеться скористатися кнопкою НАЗАД в браузері, щоб потім повернутись сюди.
питання про кислотно-основних теоріях
відповіді