historische ontwikkeling edit

Het concept van een zuur-base reactie werd voor het eerst voorgesteld in 1754 door Guillaume-François Rouelle, die het woord “base” introduceerde in de chemie om een stof te betekenen die reageert met een zuur om het vaste vorm te geven (als zout).

Lavoisier ‘ s oxygen theory of acidsEdit

het eerste wetenschappelijke concept van zuren en basen werd rond 1776 door Lavoisier aangeleverd., Aangezien Lavoisier ‘ s kennis van sterke zuren voornamelijk beperkt was tot oxozuren, zoals HNO
3 (salpeterzuur) en H
2SO
4 (zwavelzuur), die meestal centrale atomen bevatten in hoge oxidatietoestanden omgeven door zuurstof, en omdat hij niet op de hoogte was van de ware samenstelling van de hydrohalische zuren (HF, HCl, HBr en HI), definieerde hij zuren in termen van hun zuurstofhoudende zuren, die hij in feite noemde naar Griekse woorden die “zuur-former” (uit het Grieks οξυς (oxys)) betekent “zuur” of “scherp” en γεινομαι (GEINOMAI) betekent “veroorzaker”)., De Lavoisier definitie hield meer dan 30 jaar stand, tot het artikel van 1810 en daaropvolgende lezingen door Sir Humphry Davy waarin hij het gebrek aan zuurstof in H
2S, H2Te en de hydrohalische zuren bewees. Davy slaagde er echter niet in een nieuwe theorie te ontwikkelen en concludeerde dat “de zuurgraad niet afhankelijk is van een bepaalde elementaire substantie, maar van een bijzondere rangschikking van verschillende stoffen”. Een opmerkelijke wijziging van de zuurstoftheorie werd geleverd door Jöns Jacob Berzelius, die stelde dat zuren oxiden van niet-metalen zijn, terwijl basen oxiden van metalen zijn.,in 1838 stelde Justus von Liebig voor dat een zuur een waterstofhoudende verbinding is waarvan de waterstof kan worden vervangen door een metaal. Deze herdefiniëring was gebaseerd op zijn uitgebreide werk over de chemische samenstelling van organische zuren, waarmee hij de doctrinaire verschuiving van zuren op basis van zuurstof naar zuren op basis van waterstof, waarmee Davy begon, afmaakte. Liebig ‘ s definitie, hoewel volledig empirisch, bleef in gebruik voor bijna 50 jaar tot de vaststelling van de Arrhenius definitie.,

Arrhenius definitionEdit

De eerste moderne definitie van zuren en basen in moleculaire termen werd bedacht door Svante Arrhenius. Een waterstoftheorie van zuren, het volgde uit zijn werk in 1884 met Friedrich Wilhelm Ostwald in het vaststellen van de aanwezigheid van ionen in waterige oplossing en leidde tot Arrhenius het ontvangen van de Nobelprijs voor de Scheikunde in 1903.

zoals gedefinieerd door Arrhenius:

• Een Arrhenius-zuur is een stof die in water dissocieert tot waterstofionen (H+); dat wil zeggen dat een zuur de concentratie van H+ – ionen in een waterige oplossing verhoogt.,

Dit veroorzaakt de protonatie van water, of de vorming van het hydronium (H3O+) – ion. Zo wordt in de moderne tijd het symbool H+ geïnterpreteerd als een afkorting voor H3O+, omdat nu bekend is dat een kaal proton niet bestaat als een vrije soort in waterige oplossing.

• Een Arrhenius-base is een stof die in water dissocieert tot hydroxide (OH−)− ionen; dat wil zeggen dat een base de concentratie van OH-ionen in een waterige oplossing verhoogt.,”

de Arrhenius-definities van zuurgraad en alkaliniteit zijn beperkt tot waterige oplossingen en hebben betrekking op de concentratie van de oplosmiddelionen. Volgens deze definitie zijn zuivere H2SO4 en HCl opgelost in tolueen niet zuur, en gesmolten NaOH en oplossingen van calciumamide in vloeibare ammoniak zijn niet alkalisch. Dit leidde tot de ontwikkeling van de Brønsted-Lowry-theorie en de daaropvolgende Lewis-theorie om deze niet-waterige uitzonderingen te verklaren.,

om als Arrhenius-zuur te worden aangemerkt, moet de chemische stof bij de introductie in water hetzij direct, hetzij op andere wijze:

• een toename van de waterige hydroniumconcentratie veroorzaken, hetzij
• een afname van de waterige hydroxideconcentratie.

omgekeerd, om als Arrhenius-base te worden aangemerkt, moet de chemische stof bij de introductie in water hetzij direct, hetzij op andere wijze:

• een afname van de waterige hydroniumconcentratie veroorzaken, hetzij
• een toename van de waterige hydroxideconcentratie.,

de reactie van een zuur met een base wordt een neutralisatiereactie genoemd. De producten van deze reactie zijn een zout en water.

zuur + base → zout + water

in deze traditionele representatie wordt een zuur–base-neutralisatiereactie geformuleerd als een dubbele vervangingsreactie. Bijvoorbeeld, de reactie van zoutzuur, HCl, met natriumhydroxide, NaOH, oplossingen produceert een oplossing van natriumchloride, NaCl, en sommige extra watermoleculen.,

HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl (aq) + H2O

de modifier (aq) in deze vergelijking werd geïmpliceerd door Arrhenius, in plaats van expliciet opgenomen. Het geeft aan dat de stoffen zijn opgelost in water. Hoewel alle drie de stoffen HCl, NaOH en NaCl als zuivere verbindingen kunnen bestaan, worden ze in waterige oplossingen volledig gescheiden in de in water gebrachte ionen H+, Cl−, Na+ en OH−.,

Brønsted–Lowry definitionEdit

Johannes Nicolaus Brønsted en Thomas Martin Lowry

De Brønsted–Lowry definitie, geformuleerd in 1923, onafhankelijk van Johannes Nicolaus Brønsted in Denemarken en Martin Lowry in Engeland, is gebaseerd op het idee van protonation van basen via de deprotonering van zuren – dat is, het vermogen van de zuren te “doneren” waterstof-ionen (H+)—ook wel bekend als protonen te bases, die “accepteren” hen.,

een zuur-base-reactie is dus de verwijdering van een waterstofion uit het zuur en de toevoeging ervan aan de base. De verwijdering van een waterstofion uit een zuur produceert zijn geconjugeerde base, dat is het zuur met een waterstofion verwijderd. De ontvangst van een proton door een base produceert zijn geconjugeerde zuur, dat is de base met een waterstofion toegevoegd.

In tegenstelling tot de vorige definities verwijst de Brønsted–Lowry definitie niet naar de vorming van zout en oplosmiddel, maar naar de vorming van geconjugeerde zuren en geconjugeerde basen, geproduceerd door de overdracht van een proton van het zuur naar de base., In deze benadering, zijn zuren en basen fundamenteel verschillend in gedrag van zouten, die als elektrolyten worden gezien, onderworpen aan de theorieën van Debye, Onsager, en anderen. Een zuur en een base reageren niet om een zout en een oplosmiddel te produceren, maar om een nieuw zuur en een nieuwe base te vormen. Het begrip neutralisatie ontbreekt dus. Brønsted-Lowry zuur-base gedrag is formeel onafhankelijk van elk oplosmiddel, waardoor het meer allesomvattend dan het Arrhenius model. De berekening van de pH volgens het Arrhenius-model was afhankelijk van logen (basen) die oplosten in water (waterige oplossing)., Het Brønsted-Lowry model breidde uit wat pH getest kon worden met onoplosbare en oplosbare oplossingen (gas, vloeistof, vaste stof).

de algemene formule voor zuur–base reacties volgens de Brønsted–Lowry definitie is:

HA + B → BH + + A –

waar HA het zuur vertegenwoordigt, B de base, BH + het geconjugeerde zuur van B, en A-de geconjugeerde base van HA.,

een Brønsted-Lowry− model voor de dissociatie van zoutzuur (HCl) in waterige oplossing zou bijvoorbeeld het volgende zijn:

HCl + H2O ⇌ H3O+ + Cl−

de verwijdering van H+ uit HCl produceert het chloride-ion, Cl -, de geconjugeerde base van het zuur. De toevoeging van H + aan het H2o (als base) vormt het hydroniumion, H3O+, het geconjugeerde zuur van de base.

Water is amfoterisch—dat wil zeggen, het kan zowel een zuur als een base zijn., Het Brønsted-Lowry-model verklaart dit en toont de dissociatie van water in lage concentraties van hydronium-en hydroxideionen:

H2O + H2o ⇌ H3O + + OH –

deze vergelijking wordt aangetoond in de afbeelding hieronder:

Hier werkt één molecuul water als zuur, doneert een H+ en vormt de geconjugeerde base, OH−, en een tweede molecuul water fungeert als base, accepteert het H+ – ion en vormt het geconjugeerde zuur, H3O+.

als voorbeeld van water dat als zuur werkt, beschouw een waterige oplossing van pyridine, C5H5N.,

C5H5N + H2O ⇌ + + OH−

in dit voorbeeld wordt een watermolecuul gesplitst in een waterstofion, dat wordt gedoneerd aan een pyridinemolecuul, en een hydroxide-ion.

in het Brønsted-Lowry-model hoeft het oplosmiddel niet noodzakelijkerwijs water te zijn, zoals vereist is in het Arrhenius-zuur-Base-model. Denk bijvoorbeeld aan wat er gebeurt als azijnzuur, CH3COOH, oplost in vloeibare ammoniak.

CH
3COOH + NH
3 ⇌ NH+
4 + CH
3COO –

een H+ – ion wordt uit azijnzuur verwijderd en vormt de geconjugeerde base, het acetaation, CH3COO−., De toevoeging van een H+–ion aan een ammoniakmolecuul van het oplosmiddel creëert het geconjugeerde zuur, het ammoniumion, NH+

Het Brønsted-Lowry-model noemt waterstofbevattende stoffen (zoals HCl) zuren. Sommige stoffen, die door veel chemici als zuren werden beschouwd, zoals SO3 of BCl3, zijn daarom bij gebrek aan waterstof van deze indeling uitgesloten. Gilbert N., Lewis schreef in 1938: “het beperken van de groep zuren tot die stoffen die waterstof bevatten, verstoort even ernstig met het systematische begrip van chemie als de beperking van de term oxiderende stof tot stoffen die zuurstof bevatten.”Bovendien worden KOH en KNH2 niet als Brønsted-basen beschouwd, maar eerder zouten die de basen OH− en NH−

Lewis definitionEdit

De waterstofbehoefte van Arrhenius en Brønsted-Lowry werd verwijderd door de Lewis-definitie van zuur-base reacties, bedacht door Gilbert N., Lewis in 1923, in hetzelfde jaar als Brønsted–Lowry, maar het werd pas in 1938 door hem uitgewerkt. In plaats van zuur–base-reacties te definiëren in termen van protonen of andere gebonden stoffen, definieert de Lewis-definitie een base (Een Lewis-base genoemd) als een verbinding die een elektronenpaar kan afstaan, en een zuur (een Lewis-zuur) als een verbinding die dit elektronenpaar kan ontvangen.

BF3 is bijvoorbeeld een typisch Lewis-zuur. Het kan een paar elektronen accepteren omdat het een vacature heeft in zijn octet. Het fluoride-ion heeft een volledig octet en kan een paar elektronen afstaan., Dus

BF3 + F – → bf –
4

is een typische Lewis zuur, Lewis base reactie. Alle verbindingen van groep 13 elementen met een formule AX3 kunnen zich gedragen als Lewis zuren. Op dezelfde manier kunnen verbindingen van groep 15 elementen met een formule DY3, zoals aminen, NR3, en fosfinen, PR3, zich gedragen als Lewis basen. Adducten tussen hen hebben de formule X3A dy DY3 met een datieve covalente binding, symbolisch weergegeven als←, tussen de atomen A (acceptor) en D (donor). Verbindingen van groep 16 met een formule DX2 kunnen ook fungeren als Lewis-basen; op deze manier kan een verbinding zoals een ether, R2O, of een thioether, R2S, fungeren als een Lewis-base., De Lewis definitie is niet beperkt tot deze voorbeelden. Koolmonoxide werkt bijvoorbeeld als een Lewis-base wanneer het een adduct vormt met boortrifluoride, van Formule F3B CO CO.

adducten waarbij metaalionen betrokken zijn, worden coördinatieverbindingen genoemd; elk ligand doneert een paar elektronen aan het metaalion., De reactie

+ + 2NH3 → + + 4H2O

kan worden gezien als een zuur–base reactie waarbij een sterkere base (ammoniak) een zwakkere base (water) vervangt

De definities van Lewis en Brønsted–Lowry zijn consistent met elkaar omdat de reactie

H+ + OH− ⇌ H2O

een zuur–base reactie is in beide theorieën.

Oplosmiddelsysteemdefinitiedit

een van de beperkingen van de Arrhenius-definitie is de afhankelijkheid van wateroplossingen. Edward Curtis Franklin bestudeerde de zuur-base reacties in vloeibare ammoniak in 1905 en wees op de overeenkomsten met de op water gebaseerde Arrhenius theorie. Albert F.,O. Germann, die werkte met vloeibaar fosgeen, COCl
2, formuleerde de oplosmiddelgebaseerde theorie in 1925, waardoor de Arrhenius-definitie werd veralgemeend om aprotische oplosmiddelen te omvatten.

Germann wees erop dat er in veel oplossingen ionen in evenwicht zijn met de neutrale oplosmiddelmoleculen:

• solvoniumionen: een soortnaam voor positieve ionen. (De term solvonium heeft de oudere term lyonium-ionen vervangen: positieve ionen gevormd door protonatie van oplosmiddelmoleculen.)
• solvate-ionen: een soortnaam voor negatieve ionen., (De term solvate heeft de oudere term lyaationen vervangen: negatieve ionen gevormd door deprotonatie van oplosmiddelmoleculen.,nd ammonium and amide, respectively: 2 H
  2O ⇌ H
  3O+
  + OH−
  2 NH
  3 ⇌ NH+
  4 + NH−
  2

  Some aprotic systems also undergo such dissociation, such as dinitrogen tetroxide into nitrosonium and nitrate, antimony trichloride into dichloroantimonium and tetrachloroantimonate, and phosgene into chlorocarboxonium and chloride:

  N
  2O
  4 ⇌ NO+
  + NO−
  3 2 SbCl
  3 ⇌ SbCl+
  2 + SbCl−
  4 COCl
  2 ⇌ COCl+
  + Cl−

  A solute that causes an increase in the concentration of the solvonium ions and a decrease in the concentration of solvate ions is defined as an acid., Een opgeloste stof die een toename van de concentratie van de solvoniumionen en een afname van de concentratie van de solvoniumionen veroorzaakt, wordt gedefinieerd als een base., definitie toont in het beschrijven van de reacties in aprotisch oplosmiddel, bijvoorbeeld in vloeibare N
  2O
  4:

  + → +

  Omdat het oplosmiddel systeem definitie is afhankelijk van de opgeloste stof als op het oplosmiddel zelf, een bepaalde stof kan zowel een zuur of een base, afhankelijk van de keuze van het oplosmiddel: HClO
  4 is een sterk zuur water is een zwak zuur in de azijn zuur en een zwakke base in fluorosulfonic zuur; dit kenmerk van de theorie gezien als een sterkte en een zwakte, omdat sommige stoffen (zoals DUS
  3 en NH
  3) gezien om te worden zure of basische op hun eigen recht., Aan de andere kant is de theorie van het oplosmiddelsysteem bekritiseerd als te algemeen om bruikbaar te zijn. Ook is gedacht dat er iets intrinsiek zuur over waterstofverbindingen, een eigenschap niet gedeeld door niet-hydrogene solvoniumzouten.deze zuur-base theorie was een heropleving van de zuurstoftheorie van zuren en basen, voorgesteld door de Duitse chemicus Hermann Lux in 1939, verder verbeterd door Håkon Flood rond 1947 en wordt nog steeds gebruikt in de moderne geochemie en elektrochemie van gesmolten zouten., Deze definitie beschrijft een zuur als een oxide-Ion (O2 –
  ) acceptor en een base als een oxide-ion donor. Bijvoorbeeld:

  + → MgCO
  3 + → CaSiO
  3 + → NO +
  2 + 2 SO2-
  4

  deze theorie is ook nuttig bij de systematisering van de reacties van edelgasverbindingen, met name de xenonoxiden, fluoriden en oxofluoriden.

  usanovich definitionEdit

  Mikhail Usanovich ontwikkelde een algemene theorie die de zuurgraad niet beperkt tot waterstofhoudende verbindingen, maar zijn benadering, gepubliceerd in 1938, was zelfs algemener dan de Lewis-theorie., Usanovich ‘ s theorie kan worden samengevat als het definiëren van een zuur als alles wat negatieve soorten accepteert of positieve doneert, en een base als het omgekeerde. Deze definitie van redox (oxidatie-reductie) als een speciaal geval van zuur–base reacties

  Enkele voorbeelden van Usanovich zuur–base reacties zijn:

  + → 2 Na+
  + SO2−
  4 (soorten uitgewisseld: O2−
  anion) + → 6 NH+
  4 + 2 SbS3−
  4 (soorten gewisseld: 3 S2−
  anionen) + → 2Na+
  + 2Cl−
  (soorten gewisseld: 2 elektronen)