Główna zawartość

Teoria zasad i kwasów Arrheniusa.

Definicja kwasów i zasad według Arrheniusa i reakcje między kwasami i zasadami Arrheniusa

Kluczowe informacje

Kwas Arrheniusa to dowolna substancja chemiczna, która zwiększa stężenie jonów start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript w wodnym roztworze.
Zasada Arrheniusa to dowolna substancja chemiczna, która zwiększa stężenie jonów start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript w wodnym roztworze.
W wodnym roztworze jony start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript reagują z cząsteczkami tworząc jony oksoniowe start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript.
W reakcji kwasu z zasadą, czyli w reakcji zobojętniania, kwas i zasada Arrheniusa reagują zwykle ze sobą, tworząc wodę i sól.

Wprowadzenie

Od octu w kuchennej szafce do mydła pod prysznicem, kwasy i zasady są wszędzie! Ale co to znaczy, że coś jest kwasem lub zasadą? Aby odpowiedzieć na to pytanie, należy zanalizować niektóre z teorii, opisujących kwasy i zasady. W tym artykule skupimy się na teorii Arrheniusa.

Kwasy Arrheniusa

Teoria kwasów i zasad Arrheniusa została zaproponowana przez szwedzkiego chemika Svantea Arrheniousa w 1884 roku. Zasugerował, aby sklasyfikować substancje chemiczne, jako kwasy i zasady ze względu na to, jaki jon formują, gdy zostaną dodane do wody.

Kwas Arrheniusa to dowolna substancja chemiczna, która zwiększa stężenie jonów start color #1fab54, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, end color #1fab54, lub protonów, w roztworze wodnym. Przykładowo rozważmy dysocjację kwasu chlorowodorowego, start text, H, C, l, end text, w wodzie:

start color #1fab54, start text, H, end text, end color #1fab54, start text, C, l, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis, right arrow, start color #1fab54, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, end color #1fab54, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start text, C, l, end text, start superscript, minus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis

Podczas wykonywania wodnego roztworu kwasu chlorowego,start color #1fab54, start text, H, end text, end color #1fab54, start text, C, l, end text dysocjuje na jony start color #1fab54, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, end color #1fab54 i jony start text, C, l, end text, start superscript, minus, end superscript. Ponieważ powoduje to wzrost stężenia jonów start color #1fab54, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, end color #1fab54 w roztworze, kwas chlorowodorowy jest kwasem Arrheniusa.

Wodór czy jony wodorowe?

Załóżmy, że mamy wodny roztwór 2, M kwasu bromowodorowego start text, H, B, r, end text, który jest kwasem Arrheniusa. Czy oznacza to, że mamy 2, M jonów start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript w tym roztworze?

Nie oznacza. W praktyce, dodatnio naładowane protony reagują z otaczającymi je cząsteczkami wody i tworzą jony oksoniowe start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript. Ta reakcja może być zapisana w formie:

start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, left parenthesis, l, right parenthesis, right arrow, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis

Mimo tego, że często zapisujemy iż w procesie dysocjacji kwasu powstaje start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, w wodnym roztworze nie znajdują się wolne jony start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript. Zamiast tego są w nim przede wszystkim jony start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript, które powstają natychmiast po zdysocjowaniu kwasu w wodzie. Poniższy obrazek ukazuje, używając modeli cząsteczkowych. powstanie jonów hydroniowych z wody i jonów wodorowych:

Kiedy kwas dysocjuje w wodzie powstają jony start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript- protony, jony start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript natychmiastowo reagują z wodą, tworząc start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript. Dlatego, chemicy zamiennie używają stężenia jonów wodorowych i hydroniowych. Zdjęcie: UC Davis Chemwiki, CC BY-NC-SA 3.0 US

W praktyce, większość chemików używa zamiennie stężenia start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript i start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript. Kiedy chcemy być bardziej dokładni (i mniej leniwi) możemy zapisać dysocjację kwasu bromowodorowego tak, aby pokazać powstawanie jonów hydroniowych, a nie protonów:

\begin{aligned}\text{HBr}(aq)+\text{H}_2\text{O}(l) &\rightarrow\text{H}_3\text{O}^+(aq)+\text{Br}^-(aq)~~~~~~~~{\text{Bardziej dokładny sposób}}\\ \\ &\text{vs.} \\ \\ \text{HBr}(aq) &\rightarrow\text{H}^+(aq)+\text{Br}^-(aq)~~~~\text{Sposób krótszy i łatwiejszy w zapisie!}\end{aligned}

Oba zapisy są poprawnym opisem dysocjacji kwasu Arrheniusa.

Zasady Arrheniusa

Zasada Arrheniusa jest zdefiniowana jako dowolna substancja chemiczna, która zwiększa stężenie jonów hydroksylowych start color #e84d39, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, end color #e84d39 w wodnym roztworze. Przykładem zasady Arrheniusa jest dobrze rozpuszczalny wodorotlenek sodu, start text, N, a, O, H, end text. Wodorotlenek sodu ulega dysocjacji w wodzie:

start text, N, a, end text, start color #e84d39, start text, O, H, end text, end color #e84d39, left parenthesis, a, q, right parenthesis, right arrow, start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start color #e84d39, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, end color #e84d39, left parenthesis, a, q, right parenthesis

Wodorotlenek sodu całkowicie dysocjuje w wodzie, tworząc jony start color #e84d39, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, end color #e84d39 i start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript, co powoduje wzrost stężenia jonów hydroksylowych. Wynika z tego, że start text, N, a, O, H, end text jest zasadą Arrheniusa. Do powszechnych zasad Arrheniusa należą wodorotlenki pierwiastków z grupy 1 i 2, na przykład start text, L, i, O, H, end text i start text, B, a, left parenthesis, O, H, right parenthesis, end text, start subscript, 2, end subscript.

[Ale czy większość wodorotlenków metali nie jest nierozpuszczalna?]

Zauważ, że w zależności od przedmiotu, podręcznika czy nauczyciela, zasady nie zawierające grupy hydroksylowej mogą być klasyfikowane jako zasady Arrheniusa lub nie. Niektóre podręczniki podają węższą definicję zasady Arrheniusa: substancja, która zwiększa stężenie f start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript w roztworze i zawiera w sobie co swoim wzorze chemicznym co najmniej grupę start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript. Chociaż nie zmienia to klasyfikacji wodorotlenków grupy 1 i 2, komplikuje to klasyfikację związków takich jak metyloamina, start text, C, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, N, H, end text, start subscript, 2, end subscript.

Po dodaniu metyloaminy do wody zachodzi poniższa reakcja:

start text, C, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, N, H, end text, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, left parenthesis, l, right parenthesis, \rightleftharpoons, start text, C, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start superscript, plus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start color #e84d39, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, end color #e84d39, left parenthesis, a, q, right parenthesis

W oparciu o pierwszą definicję metyloamina jest zasadą Arrheniusa, ponieważ w roztworze powoduje zwiększenie stężenia jonu start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript. Jednak według drugiej definicji nie jest zasadą Arrheniusa, ponieważ w jej wzorze chemicznym nie ma grupy hydroksylowej.

Reakcje kwasów z zasadami: kwas Arrheniusa + zasada Arrheniusa= woda + sól

W reakcji kwasu Arrheniusa z zasadą Arrheniusa powstają zazwyczaj woda i sól. Reakcje tego typu nazywane są reakcjami zobojętniania. Przykładowo, co stanie się gdy połączymy ze sobą wodne roztwory kwasu fluorowodorowego, start text, H, F, end text, i wodorotlenku litu, start text, L, i, O, H, end text?

Jeżeli rozważamy roztwory kwasu i zasady osobno wiem, że:

Kwas Arrheniusa zwiększa stężenie jonów start color #1fab54, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, end color #1fab54, left parenthesis, a, q, right parenthesis:

start color #1fab54, start text, H, end text, end color #1fab54, start text, F, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis, \rightleftharpoons, start color #1fab54, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, end color #1fab54, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start text, F, end text, start superscript, minus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis

Zasada Arrheniusa zwiększa stężenie jonów start color #e84d39, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, end color #e84d39, left parenthesis, a, q, right parenthesis:

start text, L, i, end text, start color #e84d39, start text, O, H, end text, end color #e84d39, left parenthesis, a, q, right parenthesis, right arrow, start text, L, i, end text, start superscript, plus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start color #e84d39, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, end color #e84d39, left parenthesis, a, q, right parenthesis

Po połączeniu kwasu i zasady w roztworze, powstaje start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text poprzez reagowanie ze sobą jonów wodorowych i hydroksylowych, podczas gdy pozostałe jony tworzą sól start text, L, i, F, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis:

\begin{aligned} \greenD{\text H^+}(aq)+\redD{\text{OH}^-}(aq) &\rightarrow \text{H}_2 \text O(l)\quad&&\text{Powstaje woda} \\\\ \text{Li}^+(aq)+\text{F}^-(aq) &\rightarrow\text{LiF}(aq)&&\text{Powstaje sól} \end{aligned}

Gdy dodamy reagenty powstawania wody i powstawania soli, otrzymamy równanie reakcji neutralizacji kwasu fluorowodorowego i wodorotlenku litu:

start color #1fab54, start text, H, end text, end color #1fab54, start text, F, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start text, L, i, end text, start color #e84d39, start text, O, H, end text, end color #e84d39, left parenthesis, a, q, right parenthesis, right arrow, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, left parenthesis, l, right parenthesis, plus, start text, L, i, F, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis

Ograniczenia teorii Arrheniusa

Teoria Arrheniusa jest ograniczona i opisuje tylko chemię kwasowo-zasadową w wodnych roztworach. Podobne reakcje zachodzą w rozpuszczalnikach nie zawierających wody i między cząsteczkami w stanie gazowym. W wyniku tego, współcześni chemicy preferują teorię Brønsteda-Lowry'ego, która opisuje szerszy zakres substancji chemicznych. Teoria kwasów i zasad Brønsteda-Lowry'ego zostanie omówiona w osobnym artykule!

Podsumowanie

Kwas Arrheniusa to dowolna substancja chemiczna, która zwiększa stężenie jonów start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript w wodnym roztworze.
Zasada Arrheniusa to dowolna substancja chemiczna, która zwiększa stężenie jonów start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript w wodnym roztworze.
W wodnym roztworze jony start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript reagują z cząsteczkami wody, tworząc jony oksoniowe start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript.