Teorier om syror och baser

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 23 november 2016; kontroller kräver 19 redigeringar .

Teorier om syror och baser är en uppsättning grundläggande fysikalisk -kemiska begrepp som beskriver naturen och egenskaperna hos syror och baser . Alla introducerar definitioner av syror och baser - två klasser av ämnen som reagerar med varandra. Teorins uppgift är att förutsäga produkterna av reaktionen mellan syran och basen och möjligheten av dess förekomst, för vilka de kvantitativa egenskaperna för syrans och basens styrka används. Skillnaderna mellan teorier ligger i definitionerna av syror och baser, egenskaperna hos deras styrka och, som ett resultat, i reglerna för att förutsäga produkterna av reaktionen mellan dem . Alla av dem har sitt eget tillämpningsområde, vilka områden delvis skär varandra.

Syra-bas-interaktioner är extremt vanliga i naturen och används ofta i vetenskaplig och industriell praktik. Teoretiska idéer om syror och baser är viktiga i bildandet av alla begreppssystem inom kemi och har ett mångsidigt inflytande på utvecklingen av många teoretiska begrepp inom alla större kemiska discipliner.

Baserat på den moderna teorin om syror och baser, sådana delar av kemiska vetenskaper som kemi för vattenhaltiga och icke-vattenhaltiga elektrolytlösningar, pH-metri i icke-vattenhaltiga medier, homo- och heterogen syra-baskatalys , teorin om surhetsfunktioner , och många andra har utvecklats.

Utvecklingen av idéer om syra-bas-interaktioner

Idéer om syra-bas-interaktioner är bland de grundläggande kemiska bestämmelserna. Begreppen " syra " och " bas " bildades på 1600-talet, men deras innehåll reviderades och förfinades upprepade gånger. Så R. Boyle trodde att syror är kroppar vars atomer har skarpa utsprång (och följaktligen en skarp smak), och baser har porer (och sammandragande smak). Enligt hans åsikt kokade neutraliseringsreaktionen ner till det faktum att syrans utsprång kom in i basens porer .

Den figurativa teorin om syror och baser föreslogs av N. Lemery . I sin "Course of Chemistry" (1675) försökte han förklara ämnens fysikaliska och kemiska egenskaper i termer av deras form och struktur. Enligt Lemerys idéer har syror skarpa spikar på sin yta, vilket orsakar genomträngande känslor på huden. Baserna, som han kallade alkalier, består av porösa kroppar. Syrors "taggar" tränger in i "porerna", medan de går sönder eller blir matta, och syrorna blir till neutrala salter [1] .

Vetenskapliga idéer om syrors och basers natur började ta form i slutet av 1700-talet. I A. Lavoisiers verk var sura egenskaper associerade med närvaron av syreatomer i ämnets sammansättning . De då kända mineral- och organiska syrorna innehöll verkligen syre. Denna hypotes visade sig snabbt vara ohållbar när, tack vare arbetet av G. Davy och J. Gay-Lussac , ett antal syrefria syror blev kända (till exempel vätehalogenider , cyanvätesyror ), medan många syrehaltiga föreningar inte uppvisar sura egenskaper.

Från början av 1800-talet började ämnen som kunde interagera med en metall med frisättning av väte att betraktas som syror ( J. Liebig , 1839). Ungefär samtidigt lade J. Berzelius fram en idé som förklarar ämnens syra-basegenskaper genom deras elektriska "dualistiska" natur. Så han tillskrev elektronegativa oxider av icke-metaller och vissa metaller (till exempel krom , mangan , etc.) till syror och ansåg elektropositiva metalloxider vara baser. Således anses surhet eller basicitet av Berzelius som en funktionell snarare än en absolut egenskap hos en förening. Berzelius var den första som försökte kvantifiera och förutsäga styrkan hos syror och baser [2] .

Med tillkomsten av teorin om elektrolytisk dissociation av S. Arrhenius (1887) blev det möjligt att beskriva syra-basegenskaper baserat på produkterna från elektrolytjonisering . Tack vare W. Ostwalds arbete utvecklades teorin för svaga elektrolyter.

I början av XX-talet. De amerikanska kemisterna G. Cady , E. Franklin och C. Kraus skapade teorin om solvosystem , som utvidgade bestämmelserna i Arrhenius-Ostwald-teorin till alla lösningsmedel som kan dissociera sig själv .

De moderna teorierna om syror och baser är baserade på J. Bronsteds och G. Lewis idéer . Det finns ganska framgångsrika försök att skapa generaliserade teorier ( M. Usanovich , 1939), men de finner ingen bred tillämpning [3] .

Liebigs väteteori

Definitioner. En syra är ett ämne som kan reagera med en metall för att frigöra väte. Begreppet "grund" i denna teori saknas.

reaktionsprodukter. När en syra reagerar med en metall bildas ett salt och väte.

Exempel. Syra - HCl:

Reaktion:

{\mathsf {Zn+2HCl\rightarrow ZnCl_{2}+H_{2}\uparrow }}

Kriterier för reaktionens fortskridande. Metaller som finns till vänster om väte i aktivitetsserien reagerar med starka syror. Ju svagare syran är, desto mer aktiv metall behövs för reaktionen mellan dem.

Kvantitativa egenskaper. Eftersom teorin sällan används har kvantitativa egenskaper för syrans styrka (och därmed förutsägelsen av reaktionens riktning) inte utvecklats inom ramen för denna teori.

Tillämpningsomfång. Förutsägelse av interaktionen av vätehaltiga ämnen med metaller i eventuella lösningsmedel.

specifika funktioner. I enlighet med denna teori är etanol och ammoniak svaga syror, eftersom de kan reagera med alkalimetaller:

{\mathsf {2C_{2}H_{5}OH+2Na\högerpil 2C_{2}H_{5}ONa+H_{2))}

{\mathsf {2NH_{3}+2Na\högerpil 2NaNH_{2}+H_{2))}

Arrhenius-Ostwalds teori om elektrolytisk dissociation

Definitioner. Syror är ämnen som bildar hydratiserade vätekatjoner H + ( hydroxoniumjoner ) och sura restanjoner i en vattenlösning .

Baser är ämnen som dissocierar i en vattenlösning för att bilda metall- eller ammoniumkatjoner och hydroxidanjoner OH − .

Salter är ämnen som dissocierar för att bilda en metall- eller ammoniumkatjon och en syraanjon.

reaktionsprodukter. Vid reaktionen av en syra med en bas ( neutraliseringsreaktion ) bildas salt och vatten .

Exempel. Syra - HCl (syrarest Cl - ):

{\mathsf {HCl+H_{2}O\rightleftarrows H_{3}O^{+}+Cl^{-}}}

Bas - NaOH:

{\mathsf {NaOH\rightleftarrows Na^{+}+OH^{-}}}

Neutraliseringsreaktion (salt - NaCl):

{\mathsf {HCl+NaOH\rightarrow NaCl+H_{2}O}}

Kriterier för reaktionens fortskridande. Starka syror reagerar med starka baser. Ju svagare syran är, desto starkare bas behövs för reaktionen.

Kvantitativa egenskaper. Styrkan hos en syra och bas kännetecknas av deras dissociationskonstanter och . ${\mathsf {K_{a))}$ ${\mathsf {K_{b))}$

För sur HA

{\mathsf {HA\rightleftarrows H^{+}+A^{-}}}

{\mathsf {K_{a}={\frac {[H^{+}][A^{-}]}{[HA]))))

För BOH-bas

{\mathsf {BOH\rightleftarrows B^{+}+OH^{-}}}

{\mathsf {K_{b}={\frac {[B^{+}][OH^{-}]}{[BOH]))))

För att en reaktion mellan en syra och en bas ska kunna ske måste produkten av deras dissociationskonstanter vara större än 10 −14 (jonprodukten av vatten).

Tillämpningsområde. Den beskriver ganska tillfredsställande reaktionerna av tillräckligt starka syror och baser med varandra och egenskaperna hos deras vattenlösningar. På grundval av idéer om graden och konstanten av dissociation fastställdes uppdelningen av elektrolyter i starka och svaga, begreppet väteindex introducerades , vars utvidgning till alkaliska medier kräver dock ytterligare antaganden (införandet av jonisk produkt av vatten).

Teorin kan användas för att beskriva hydrolysen av salter och reaktionen av syror och baser med salter, men detta kräver en mycket krånglig apparat - protonteorin (se nedan) är mycket bekvämare.

Tillämpligheten av Arrhenius-Ostwald-teorin är begränsad till vattenlösningar. Dessutom tillåter det inte att förklara närvaron av huvudegenskaperna hos ammoniak , fosfin och andra föreningar som inte innehåller hydroxogrupper .

Bronsted-Lowrys protolitiska teori

Den protolytiska (proton) teorin om syror och baser föreslogs 1923 oberoende av den danske vetenskapsmannen J. Bronsted och den engelske vetenskapsmannen T. Lauri . I den kombinerades begreppet syror och baser till en enda helhet, manifesterad i syra-bas-interaktionen (A - syra, B - bas):

{\mathsf {A\rightarrow B+H^{+))}

Enligt denna teori är syror molekyler eller joner som kan vara protondonatorer i denna reaktion , och baser är molekyler eller joner som lägger till protoner (acceptorer). Syror och baser är gemensamt kända som protoliter .

Kärnan i syra-bas-interaktionen är överföringen av en proton från en syra till en bas. I detta fall blir syran, efter att ha överfört en proton till basen, själv en bas, eftersom den återigen kan fästa en proton, och basen, som bildar en protonerad partikel, blir en syra. I varje syra-basinteraktion är alltså två par syror och baser involverade, kallat Brønsted- konjugat :

{\mathsf {A_{1}+B_{2}\högerpil A_{2}+B_{1))}

Samma ämne, beroende på förhållanden för interaktion, kan vara både en syra och en bas ( amfoter ). Till exempel fungerar vatten, när det interagerar med starka syror, som en bas:

{\mathsf {H^{+}+H_{2}O\högerpil H_{3}O^{+))}

och reagerar med ammoniak - i rollen som syra:

\mathsf{NH_3 + H_2O \rightarrow NH_4^+ + OH^-}

Solvosystemteori

Teorin om solvosystem är en förlängning av Arrhenius-Ostwald-teorin till andra joniska (i synnerhet protiska lösningsmedel ). Föreslagen av de amerikanska kemisterna G. Cady , E. Franklin och C. Kraus .

Definitioner. Ett joniskt lösningsmedel är ett lösningsmedel som självdissocierar till en katjon och en anjon. Katjonen kallas lyoniumjonen och anjonen kallas lyatjonen. Ett protiskt lösningsmedel är ett lösningsmedel som kan autoprotolys , det vill säga överföring av en H + -jon från en molekyl till en annan:

{\mathsf {2HL\rightleftarrows H_{2}L^{+}+L^{-}}}

Dessa är lösningsmedel som innehåller en tillräckligt polär bindning som involverar väte och ett odelat elektronpar på någon annan icke-metall (oftast kväve, syre eller fluor).

Notera: i denna definition är protonteorin "skyddad", eftersom autoprotolys är en syra-basreaktion enligt Brönsted - Lowry. Det "hardwired" också Lewis-teorin, eftersom det är hon som förklarar orsakerna till bildandet av lyoniumjoner.

H 2 L + - jonen kallas lyoniumjonen och L - är liatjonen .

Syror är ämnen som bildar en lyoniumjon i ett givet lösningsmedel.

Baser är ämnen som bildar en lyatjon i ett givet lösningsmedel.

Salter är ämnen som dissocierar i ett givet lösningsmedel för att bilda en katjon och anjon som inte är lyonium och lyat.

reaktionsprodukter. Vid reaktionen av en syra med en bas ( neutralisationsreaktion , bildas ett salt och ett lösningsmedel.

Exempel.

Lösningsmedel	självdissociation	Lyonius	Liat	Självdissociationskonstant	Syra	Bas	Neutraliseringsreaktion
H2O _ _	${\mathsf {2H_{2}O\rightleftarrows H_{3}O^{+}+OH^{-}}}$	H3O + _ _	åh- _	2 10 −16 (25°С)	HCl	NaOH	${\mathsf {NaOH+HCl\högerpil NaCl+H_{2}O))$
NH3 _	${\mathsf {2NH_{3}\rightleftarrows NH_{4}^{+}+NH_{2}^{-}}}$	NH4 + _	NH2- _ _	~10 −34 (-33 °C)	HCl NH4Cl _ _	KNH 2	${\mathsf {KNH_{2}+HCl\högerpil KCl+NH_{3))}$ ${\mathsf {KNH_{2}+NH_{4}Cl\högerpil KCl+2NH_{3))}$
HF	${\mathsf {2HF\rightleftarrows H2F^{+}+F^{-}}}$	H2F + _ _	F- _	~10 −12	HCl	NaF NaOH (ger NaF)	${\mathsf {HCl+NaF\högerpil NaCl+HF}}$
KCl	${\mathsf {KCl\rightleftarrows K^{+}+Cl^{-}}}$	K +	Cl- _	Velika	KOH	HCl	${\mathsf {KOH+HCl\högerpil KCl+H_{2}O))$

Kvantitativa egenskaper och kriterier för reaktionens förlopp. Styrkan hos syror och baser kännetecknas av deras dissociationskonstant. Dissociationskonstanterna beror på lösningsmedlet. Protiska lösningsmedel med höga autodissociationskonstanter ("sura lösningsmedel", såsom HF) differentierar syror (syror i dem blir svaga och skiljer sig i styrka), men jämna baser (alla baser blir starka och förvandlas till en lyatjon). Protiska lösningsmedel med låga autodissociationskonstanter ("basiska lösningsmedel" såsom NH3 ) differentierar baser men neutraliserar syror (som blir starka när de omvandlas till lyonium).

Reaktionen går från starka syror till svaga syror.

Tillämpningsområde. Gör att du kan förutsäga syra-bas-reaktioner i vilket lösningsmedel som helst. Hantering av syra-basprocesser med hjälp av ett lösningsmedel. Utvidgar till icke-vattenhaltiga lösningar begreppet pH (pH) som koncentrationen av lyoniumjoner. Beskriver de grundläggande egenskaperna hos ämnen som inte innehåller OH-grupper.

Men för många problem är teorin för krånglig.

Specifika egenskaper Vissa syra-basreaktioner kan vändas upp och ner i denna teori, till exempel i smält KCl:

KOH (syra) + HCl (bas) = KCl (lösningsmedel) + H 2 O (salt)

Lewis elektronteori

I Lewis teori (1923), på basis av elektroniska representationer, utökades begreppet syra och bas ytterligare. En Lewis-syra är en molekyl eller jon som har tomma elektronorbitaler, som ett resultat av vilket de kan acceptera elektronpar . Dessa är till exempel vätejoner - protoner , metalljoner (Ag + , Fe 3+ ), oxider av vissa icke-metaller (till exempel SO 3 , SiO 2 ), ett antal salter (AlCl 3 ), samt som ämnen såsom BF 3 , Al 2 O 3 . Lewissyror som inte innehåller vätejoner kallas aprotiska . Protiska syror betraktas som ett specialfall av klassen syror.

En Lewis-bas är en molekyl eller jon som kan vara en elektronpardonator: alla anjoner, ammoniak och aminer , vatten , alkoholer , halogener .

Exempel på kemiska reaktioner mellan Lewis-syror och baser:

{\mathsf {AlCl_{3}+Cl^{-}\högerpil [AlCl_{4}]^{-}}}

{\mathsf {BF_{3}+F^{-}\högerpil [BF_{4}]^{-}}}

{\mathsf {PCl_{5}+Cl^{-}\högerpil [PCl_{6}]^{-}}}

Usanovitch allmänna teori

Den mest allmänna teorin om syror och baser formulerades av M. Usanovich 1939. Teorin bygger på idén att varje syra-basinteraktion är en saltbildningsreaktion. Enligt denna teori är "en syra en partikel som kan ta bort katjoner, inklusive en proton, eller lägga till anjoner, inklusive en elektron. En bas är en partikel som kan acceptera en proton och andra katjoner eller donera en elektron och andra anjoner ” (1964 formulering). Till skillnad från Lewis använder Usanovich tecknet på partikelns laddning, och inte strukturen på elektronskalet, som grund för begreppen "syra" och "bas".

Enligt Usanovich , i hydrolysreaktionen

{\mathsf {SO_{3}+2H_{2}O\högerpil H_{3}O^{+}+HSO_{4}^{-}}}

vatten, som ger upp OH - anjonen , är en bas, och svaveltrioxid , som fäster denna anjon, är en syra. Likadant i reaktion:

{\mathsf {SnCl_{4}+2KCl\högerpil K_{2}[SnCl_{6}]}}

tenntetraklorid , som fäster kloranjoner, fungerar som en syra.

Således gör denna formulering av syror och baser det möjligt att tillskriva alla redoxreaktioner till syra-bas-interaktioner .

Usanovichs teori upphäver faktiskt en av de grundläggande principerna för klassisk kemi - begreppet klasser av syror och baser: " syror och baser är inte klasser av föreningar; surhet och basicitet är funktioner hos ett ämne. Huruvida ett ämne är en syra eller en bas beror på partnern " [4] .

Nackdelarna med Usanovichs teori inkluderar dess alltför allmänna karaktär och otillräckligt tydliga definition av formuleringen av begreppen "syra" och "bas". Nackdelarna inkluderar också det faktum att den inte beskriver nonjoniska syra-bastransformationer. Slutligen tillåter det inte kvantitativa förutsägelser [5] .

Litteratur

Moderna teorier om syror och baser: Proc. ersättning. - Novocherkassk: UOC Nabla. - 2003. - 52 sid.
Gevorkyan A. A. Generaliserad teori om syror och baser. En ny syn på reaktiviteten hos atomer och molekyler. - Gitutyun, 2006. - 158 sid.
Moskva VV Begreppet syra och bas i organisk kemi (otillgänglig länk) // Soros Educational Journal. - 1996. - Nr 12. - sid. 33-40.
Fialkov A. Ya Inte bara i vatten. - L .: Kemi, 1989.

Anteckningar

↑ Analytisk kemi. Problem och tillvägagångssätt. — I 2 vol. / Ed. R. Kelner. — M.: Mir, AST. – 2004.
↑ Dzhua M. Kemins historia. — M.: Mir, 1975. — 450 sid.
↑ Ugay Ya. A. Allmän och oorganisk kemi. - M .: Högre skola, 1997. - 527 sid.
↑ Citerad. enligt Kusainova K. M. Det finns varken syror eller baser! Om en halvt bortglömd teori och dess skapare Arkivexemplar av 27 juni 2013 på Wayback Machine // Chemistry and Life. - 2004. - Nr 6. - S. 41-44.
↑ Tanganov B. B. Kemiska analysmetoder. - Ulan-Ude, 2005. - 550 sid.

Se även

Syra-bas-reaktioner