Historic developmentEdit

koncepcja reakcji kwasowo-zasadowej została po raz pierwszy zaproponowana w 1754 roku przez Guillaume 'a-François Rouelle' a, który wprowadził do chemii słowo „zasada” oznaczające substancję, która reaguje z kwasem, aby nadać mu postać stałą (jako sól).

teoria tlenu Lavoisiera o kwasachedytuj

pierwsza naukowa Koncepcja kwasów i zasad została przedstawiona przez Lavoisiera około 1776 roku., Ponieważ wiedza Lavoisiera o silnych kwasach ograniczała się głównie do oksoaków, takich jak HNO
3 (kwas azotowy) i H
2SO
4 (kwas siarkowy), które zwykle zawierają Centralne Atomy w wysokich stanach utleniania otoczone tlenem, a ponieważ nie był świadomy prawdziwego składu kwasów hydrohalicznych (HF, HCl, HBr i HI), zdefiniował kwasy pod względem ich zawartości w tlenu, który w rzeczywistości nazwał od greckich słów oznaczających „kwas-były” (od greckiego οξυς (od greckiego οξυς). OXYS) oznaczające „kwas” lub „ostry” i γεινομαι (GEINOMAI) oznaczające „engender”)., Definicja Lavoisiera utrzymywała się przez ponad 30 lat, aż do artykułu z 1810 roku i kolejnych wykładów Sir Humphry 'ego Davy' ego, w których udowodnił brak tlenu w H
2s, H2Te i kwasach hydrohalicznych. Jednak Davy nie rozwinął nowej teorii, stwierdzając, że „kwasowość nie zależy od żadnej konkretnej elementarnej substancji, ale od osobliwego układu różnych substancji”. Jedną z istotnych modyfikacji teorii tlenu był Jöns Jacob Berzelius, który stwierdził, że kwasy są tlenkami niemetali, podczas gdy zasady są tlenkami metali.,

teoria wodorowa Liebiga

w 1838 roku Justus von Liebig zaproponował, że kwas jest związkiem zawierającym Wodór, którego Wodór można zastąpić metalem. Ta redefinicja została oparta na jego rozległych pracach nad składem chemicznym kwasów organicznych, kończąc doktrynalne przejście od kwasów na bazie tlenu do kwasów na bazie wodoru rozpoczęte przez Davy ' ego. Definicja Liebiga, choć całkowicie empiryczna, pozostawała w użyciu przez prawie 50 lat, aż do przyjęcia definicji Arrheniusa.,

definicja Arrheniusedytuj

pierwsza nowoczesna definicja kwasów i zasad w kategoriach molekularnych została opracowana przez Svante Arrheniusa. W 1884 r. wspólnie z Friedrichem Wilhelmem Ostwaldem odkrył obecność jonów w roztworze wodnym, dzięki czemu Arrhenius otrzymał w 1903 r.Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii.

zgodnie z definicją Arrheniusa:

• kwas Arrheniusa jest substancją, która dysocjuje w wodzie, tworząc jony wodorowe (H+); to znaczy kwas zwiększa stężenie jonów H+ w roztworze wodnym.,

powoduje to protonację wody lub tworzenie jonu hydronium (H3O+). Tak więc, w czasach współczesnych, symbol H+ jest interpretowany jako skrót od H3O+, ponieważ obecnie wiadomo, że nagi proton nie istnieje jako wolny gatunek w roztworze wodnym.

• baza Arrheniusa jest substancją, która dysocjuje w wodzie tworząc jony wodorotlenkowe (OH -); to znaczy, że baza zwiększa stężenie jonów OH− w roztworze wodnym.,”

definicje kwasowości i zasadowości Arrheniusa są ograniczone do roztworów wodnych i odnoszą się do stężenia jonów rozpuszczalnika. Zgodnie z tą definicją czyste H2SO4 i HCl rozpuszczone w toluenie nie są kwaśne, a stopione NaOH i roztwory amidu wapnia w ciekłym amoniaku nie są zasadowe. Doprowadziło to do rozwoju teorii Brønsteda-Lowry ' ego i późniejszej teorii Lewisa, aby uwzględnić te wyjątki niewodne.,

Ogólnie rzecz biorąc, aby kwalifikować się jako kwas Arrhenius, po wprowadzeniu do wody, substancja chemiczna musi powodować, bezpośrednio lub w inny sposób:

• wzrost stężenia wodnego hydronium lub
• spadek stężenia wodnego wodorotlenku.

odwrotnie, aby kwalifikować się jako baza Arrheniusa, po wprowadzeniu do wody, substancja chemiczna musi powodować, bezpośrednio lub w inny sposób:

• zmniejszenie stężenia wodnego hydronium lub
• wzrost stężenia wodnego wodorotlenku.,

reakcja kwasu z zasadą nazywana jest reakcją neutralizacji. Produktami tej reakcji są sól i woda.

kwas + zasada → sól + woda

w tym tradycyjnym przedstawieniu reakcja neutralizacji kwasu i zasady jest formułowana jako reakcja podwójnej wymiany. Na przykład reakcja kwasu solnego, HCl, z wodorotlenkiem sodu, NaOH, roztwory daje roztwór chlorku sodu, NaCl, i niektóre dodatkowe cząsteczki wody.,

HCl(aq) + NaOH(AQ) → NaCl (AQ) + H2O

modyfikator (AQ) w tym równaniu został zasugerowany przez Arrheniusa, a nie włączony wprost. Oznacza to, że substancje są rozpuszczone w wodzie. Chociaż wszystkie trzy substancje, HCl, NaOH i NaCl są zdolne do istnienia jako czyste związki, w roztworach wodnych są one całkowicie dysocjowane do wodowanych jonów H+, Cl−, na+ I OH -.,

definicja Brønsteda–Lowry 'ego

Johannes Nicolaus Brønsted i Thomas Martin Lowry

definicja Brønsteda–Lowry 'ego, sformułowana w 1923 roku, niezależnie przez Johannesa Nicolausa Brønsteda w Danii i Martina Lowry' ego w Anglii, opiera się na idei protonacji zasad przez deprotonacja kwasów – czyli zdolność kwasów do „oddawania” jonów wodorowych (H+)—zwanych inaczej protonami—do zasad, które je „akceptują”.,

reakcja kwasowo–zasadowa polega więc na usunięciu jonu wodorowego z kwasu i jego dodaniu do zasady. Usunięcie jonu wodorowego z kwasu wytwarza jego sprzężoną zasadę, czyli kwas z usuniętym Jonem wodorowym. Odbiór protonu przez zasadę wytwarza jego sprzężony kwas, który jest zasadą z dodatkiem jonu wodorowego.

W przeciwieństwie do poprzednich definicji, definicja Brønsteda–Lowry ' ego nie odnosi się do tworzenia soli i rozpuszczalnika, ale zamiast tego do tworzenia sprzężonych kwasów i sprzężonych zasad, wytwarzanych przez przeniesienie protonu z kwasu do zasady., W tym podejściu kwasy i zasady różnią się zasadniczo od soli, które są postrzegane jako elektrolity, zgodnie z teoriami Debye ' a, Onsagera i innych. Kwas i zasada reagują nie tworząc soli i rozpuszczalnika, ale tworząc nowy kwas i nową zasadę. Pojęcie neutralizacji jest więc nieobecne. Zachowanie kwasowo-zasadowe Brønsteda-Lowry ' ego jest formalnie niezależne od dowolnego rozpuszczalnika, co czyni go bardziej wszechstronnym niż model Arrheniusa. Obliczanie pH w modelu Arrhenius polegało na rozpuszczaniu zasad (zasad) w wodzie (roztworze wodnym)., Model Brønsteda-Lowry ' ego rozszerzył zakres pH, który można badać przy użyciu nierozpuszczalnych i rozpuszczalnych roztworów (gaz, ciecz, ciało stałe).

ogólny wzór reakcji kwas–zasada według definicji Brønsteda–Lowry ' ego to:

HA + B → BH+ + a−

gdzie HA reprezentuje kwas, B reprezentuje zasadę, BH+ reprezentuje sprzężony kwas B, A A− sprzężony kwas HA.,

na przykład model Brønsteda-Lowry ' ego dla dysocjacji kwasu solnego (HCl) w roztworze wodnym byłby następujący:

HCl + H2O ⇌ H3O+ + Cl−

usunięcie H+ z HCl powoduje powstanie jonu chlorkowego, CL−, sprzężonej Zasady kwasu. Dodatek H+ do H2O (pełniącego rolę zasady) tworzy jon hydroniowy, H3O+, sprzężony kwas Zasady.

woda jest amfoteryczna—to znaczy może działać zarówno jako kwas, jak i zasada., Model Brønsteda− Lowry ' ego wyjaśnia to, Pokazując dysocjację wody do niskich stężeń jonów hydronium i wodorotlenku:

H2O + H2O ⇌ H3O+ + OH−

równanie to przedstawiono na poniższym obrazku:

tutaj jedna cząsteczka wody działa jak kwas, przekazując H+ i tworząc sprzężoną zasadę, OH -, a druga cząsteczka wody działa jak zasada, akceptując jon H+ i tworząc sprzężony kwas, H3O+.

jako przykład wody działającej jako kwas, rozważ wodny roztwór pirydyny, C5H5N.,

C5H5N + H2O ⇌ + + OH – − w tym przykładzie cząsteczka wody jest podzielona na jon wodorowy, który jest oddawany cząsteczce pirydyny i Jonowi wodorotlenkowemu.

w modelu Brønsteda-Lowry ' ego rozpuszczalnikiem niekoniecznie musi być woda, czego wymaga Model kwasowo-zasadowy Arrheniusa. Na przykład rozważ, co się dzieje, gdy kwas octowy, CH3COOH, rozpuszcza się w ciekłym amoniaku.

CH
3COOH + NH
3 ⇌ NH+
4 + CH
3coo−

jon H+ jest usuwany z kwasu octowego, tworząc jego sprzężoną zasadę, jon octanowy, CH3COO−., Dodanie jonu H+ do cząsteczki amoniaku rozpuszczalnika tworzy jego sprzężony kwas, jon amonowy, NH +

model Brønsteda–Lowry ' ego nazywa substancjami zawierającymi Wodór (takimi jak kwasy HCl). Tak więc niektóre substancje, które wielu chemików uważało za kwasy, takie jak SO3 lub BCl3, są wyłączone z tej klasyfikacji ze względu na brak wodoru. Gilbert N., Lewis napisał w 1938 roku: „ograniczenie grupy kwasów do tych substancji, które zawierają Wodór, zakłóca systematyczne rozumienie chemii tak samo poważnie, jak ograniczenie terminu środek utleniający do substancji zawierających tlen.”Ponadto KOH I KNH2 nie są uważane za zasady Brønsteda, ale raczej za sole zawierające zasady OH−I NH –

definicja Lewisa

wymóg wodorowy Arrheniusa i Brønsteda–Lowry' ego został usunięty przez definicję Lewisa reakcji kwas–zasada, opracowaną przez Gilberta N., Lewis w 1923 roku, w tym samym roku co Brønsted–Lowry, ale nie został przez niego opracowany aż do 1938 roku. Zamiast definiować reakcje kwas–zasada w kategoriach protonów lub innych substancji związanych, definicja Lewisa definiuje zasadę (określaną jako zasada Lewisa) jako związek, który może przekazać parę elektronową, a kwas (kwas Lewisa) jako związek, który może otrzymać tę parę elektronową.

na przykład trifluorek boru, BF3 jest typowym kwasem Lewisa. Może przyjąć parę elektronów, ponieważ ma wakancję w swoim oktecie. Jon fluorkowy ma pełny oktet i może przekazać parę elektronów., Tak więc

BF3 + F− → BF−
4

jest typową reakcją kwasu Lewisa, Zasady Lewisa. Wszystkie związki pierwiastków grupy 13 o wzorze AX3 mogą zachowywać się jak kwasy Lewisa. Podobnie związki pierwiastków grupy 15 o wzorze DY3, takie jak aminy, NR3 i fosfiny, PR3, mogą zachowywać się jak Zasady Lewisa. Addukty między nimi mają wzór X3A←DY3 z celowniczym wiązaniem kowalencyjnym, pokazanym symbolicznie jako ←, pomiędzy atomami a (akceptorem) I d (dawcą). Związki z grupy 16 o wzorze DX2 mogą również działać jako zasady Lewisa; w ten sposób związek taki jak eter, R2O lub tioeteran, R2S, może działać jako zasada Lewisa., Definicja Lewisa nie ogranicza się do tych przykładów. Na przykład tlenek węgla działa jako zasada Lewisa, gdy tworzy addukt z trifluorkiem boru o wzorze F3B←CO.

Addukty z udziałem jonów metali są określane jako związki koordynujące; każdy ligand przekazuje parę elektronów Jonowi metalu., Reakcja

+ + 2NH3 → + + 4H2O

może być postrzegana jako reakcja kwasowo–zasadowa, w której mocniejsza zasada (amoniak) zastępuje słabszą (woda)

definicje Lewisa i Brønsteda–Lowry ' ego są ze sobą zgodne, ponieważ reakcja

H+ + OH− ⇌ H2O

jest reakcją kwasowo–zasadową w obu teoriach.

definicja systemu solwentowego

jednym z ograniczeń definicji Arrheniusa jest jego zależność od roztworów wodnych. Edward Curtis Franklin badał reakcje kwasowo-zasadowe w ciekłym amoniaku w 1905 roku i wskazał na podobieństwa do teorii Arrheniusa opartej na wodzie. Albert F.,O. Germann, pracując z ciekłym fosgenem, COCl
2, sformułował teorię opartą na rozpuszczalnikach w 1925 roku, uogólniając tym samym definicję Arrheniusa na rozpuszczalniki aprotyczne.

Germann zauważył, że w wielu roztworach występują jony w równowadze z neutralnymi cząsteczkami rozpuszczalnika:

• jony solvonium: ogólna nazwa jonów dodatnich. (Termin solvonium zastąpił starsze określenie jony lioniowe: jony dodatnie utworzone przez protonację cząsteczek rozpuszczalnika.)
• jony solwatowe: ogólna nazwa jonów ujemnych., (Termin solwat zastąpił starszy termin jony lianowe: jony ujemne powstałe w wyniku deprotonacji cząsteczek rozpuszczalnika.,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., Rozpuszczony, który powoduje wzrost stężenia jonów solwatowych i spadek stężenia jonów solwonium jest zdefiniowany jako zasada., definicja pokazuje w opisie reakcji w rozpuszczalnikach aprotycznych; na przykład, w cieczy N
  2O
  4:

  + → +

  ponieważ definicja systemu rozpuszczalnika zależy od substancji rozpuszczonej, a także od samego rozpuszczalnika, konkretna substancja rozpuszczona może być kwasem lub zasadą w zależności od wyboru rozpuszczalnika: HClO
  4 jest silnym kwasem w wodzie, słabym kwasem w kwasie octowym i słabą zasadą w kwasie fluorosulfonowym; ta cecha teorii była postrzegana zarówno jako siła, jak i słabość, ponieważ niektóre substancje rozpuszczalne substancje (takie jak so
  3 i NH
  3) były postrzegane jako kwasowe lub zasadowe same w sobie., Z drugiej strony teoria systemów rozpuszczalnikowych została skrytykowana jako zbyt ogólna, aby mogła być użyteczna. Uważa się również, że w związkach wodorowych jest coś z natury kwaśnego, co nie jest wspólne dla niehodowlanych soli solwoniowych.

  Lux–Flood definicjaedytuj

  ta teoria kwasowo–zasadowa była odrodzeniem teorii tlenu kwasów i zasad, zaproponowanej przez niemieckiego chemika Hermanna Luxa w 1939 roku, ulepszonej przez Håkon Flood około 1947 roku i nadal jest używana we współczesnej geochemii i elektrochemii stopionych soli., Definicja ta opisuje kwas jako akceptor jonów tlenkowych (O2−
  ), a zasadę jako donor jonów tlenkowych. Na przykład:

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

  teoria ta jest również przydatna w systematyzacji reakcji związków gazów szlachetnych, zwłaszcza tlenków ksenonu, fluorków i tlenofluorków.

  definicja Usanowicza

  Michaił Usanowicz opracował ogólną teorię, która nie ogranicza kwasowości do związków zawierających Wodór, ale jego podejście, opublikowane w 1938 roku, było jeszcze bardziej ogólne niż teoria Lewisa., Teorię usanowicza można streścić jako definiowanie kwasu jako wszystkiego, co przyjmuje gatunki negatywne lub oddaje gatunki pozytywne, a Zasady jako odwrotność. To zdefiniowało pojęcie redoks (utlenianie-redukcja) jako szczególny przypadek reakcji kwasowo–zasadowych

  niektóre przykłady reakcji kwasowo–zasadowych Usanowicza to:

  + → 2 Na+
  + SO2−
  4 (wymieniane gatunki: O2−
  anion) + → 6 NH+
  4 + 2 SbS3−
  4 (wymieniane gatunki: 3 S2−
  aniony) + → 2na+
  + 2CL−
  (wymieniane gatunki: 2 elektrony)