Kwasy i zasady (Polski)

Definicje kwasów i zasad
oraz rola wody

Właściwości kwasów i zasad według Boylea

W 1661 roku Robert Boyle podsumował właściwości kwasów w następujący sposób.

1. Kwasy mają kwaśny smak.

2. Kwasy są żrące.

3. Kwasy zmieniają kolor niektórych barwników roślinnych, takich jak litm, z niebieskiego na czerwony.

4. Kwasy tracą kwasowość, gdy są łączone z alkaliami.

Nazwa „kwas” pochodzi od łacińskiego acidus, co oznacza „kwaśny” i odnosi się do ostrego zapachu i kwaśnego smaku wielu kwasów.

Przykłady: ocet ma kwaśny smak, ponieważ jest rozcieńczonym roztworem kwasu octowego w wodzie. Sok z cytryny ma kwaśny smak, ponieważ zawiera kwas cytrynowy. Mleko staje się kwaśne, gdy się psuje, ponieważ tworzy się kwas mlekowy, a nieprzyjemny, kwaśny zapach zgniłego mięsa lub masła można przypisać związkom takim jak kwas masłowy, które tworzą się, gdy tłuszcz się psuje.

W 1661 Boyle podsumował właściwości alkaliów podobne.

• Alkalia są śliskie.
• Alkalia zmieniają kolor lakmusu z czerwonego na niebieski.
• Alkalia stają się mniej alkaliczne, gdy są połączone z Kwasy.

Zasadniczo Boyle zdefiniował zasady jako substancje, które zużywają lub neutralizują kwasy. Kwasy tracą swój charakterystyczny kwaśny smak i zdolność rozpuszczania metali, gdy są zmieszane z alkaliami, a nawet odwracają zmianę koloru, która występuje, gdy lakmus wchodzi w kontakt z kwasem. Ostatecznie zasady stały się znane jako zasady, ponieważ służą jako „zasada” do produkcji niektórych soli.

Definicja kwasów i zasad według Arrheniusa

W 1884 roku Svante Arrhenius zasugerował, że sole takie jak NaCld ulegają dysocjacji, gdy rozpuszczają się w wodzie, dając cząstki zwane jonami heksadialnymi.

Trzy lata później Arrhenius rozszerzył tę teorię, sugerując, że kwasy są związkami obojętnymi, które jonizują, gdy rozpuszczają się w wodzie, dając jony H + i odpowiadający im jon ujemny. Zgodnie z jego teorią, chlorowodór jest kwasem, ponieważ rozpuszcza się w wodzie jonizując, dając jony wodoru (H +) i chlorku (Cl-), jak pokazano na poniższym rysunku.

Arrhenius argumentował, że zasady są związkami obojętnymi, które albo dysocjują, albo jonizują w wodzie, dając jony OH- i jony dodatnie. NaOH jest zasadą Arrheniusa, ponieważ dysocjuje w wodzie, dając jony wodorotlenkowe (OH-) i sodu (Na +).

Kwas Arrheniusa to zatem każda substancja tationizująca, gdy rozpuszcza się w wodzie, dając jony H + lub wodór.

Zasada Arrheniusa to dowolna substancja, która po rozpuszczeniu w wodzie daje jon OH- lub wodorotlenkowy.

Kwasy Arrheniusa obejmują związki takie jak HCl, HCN i H2SO4, które jonizują w wodzie, dając jon H +. Zasady Arrheniusa obejmują związki jonowe zawierające jon OH, takie jak NaOH, KOH i Ca (OH) 2.

Ta teoria wyjaśnia, dlaczego kwasy mają podobne właściwości: Charakterystyczne właściwości kwasów wynikają z obecności H + jon powstający, gdy kwas rozpuszcza się w wodzie, co wyjaśnia również, dlaczego kwasy neutralizują zasady i odwrotnie. Kwasy zapewniają jon H +; zasady zapewniają jon OH; i te jony łączą się, tworząc wodę.

H + (aq) + OH- (aq) H2O (l)

Teoria Arrheniusa ma kilka wad .

• Może być stosowany tylko do reakcji zachodzących w wodzie, ponieważ definiuje kwasy i zasady w kategoriach tego, co dzieje się, gdy związki rozpuszczają się w wodzie.
• Nie wyjaśnij, dlaczego niektóre związki, w których wodór ma stopień utlenienia +1 (np. HCl), rozpuszczają się w wodzie tworząc kwaśne roztwory, a inne (takie jak CH4) nie.
• Tylko związki zawierające jon OH- można sklasyfikować jako zasady Arrheniusa. Teoria Arrheniusa „nie może wyjaśnić, dlaczego inne związki (takie jak Na2CO3) mają charakterystyczne właściwości zasad.

Rola jonów H + i OH-jonów w chemii roztworów wodnych

Ponieważ tlen (EN = 3,44) jest znacznie bardziej elektroujemny niż wodór (EN = 2,20), elektrony w wiązaniach HO w wodzie nie są „t dzielone równo między atomami wodoru i tlenu. Te elektrony są przyciągane w kierunku atomu tlenu w środku cząsteczki i dalej od atomów wodoru na drugim końcu. W rezultacie cząsteczka wody jest polarna. Tlenatom ma częściowy ładunek ujemny (-), a atomy wodoru częściowy ładunek dodatni (+).

Gdy odłączą się od tworzą jony, dlatego cząsteczki wody tworzą dodatnio naładowany jon H + i ujemnie naładowany jon OH-.

Odwrotna reakcja może również wystąpić, gdy jony H + łączą się z jonami OH-, tworząc obojętne cząsteczki wody.

Poniższe równanie wskazuje na fakt, że cząsteczki wody dysocjują, tworząc jony H + i OH-, które mogą następnie rekombinować, tworząc cząsteczki wody.

W jakim stopniu woda dysocjuje z jonami formularzy?

W temperaturze 25 ° C gęstość wody wynosi 0,9971 g / cm3 lub 0,9971 g / ml. Dlatego stężenie wody wynosi 55,35 mol.

Stężenie jonów H + i OH- powstałe w wyniku dysocjacji obojętnych cząsteczek H2O w tej temperaturze wynosi tylko 1,0 x 10-7 mol / l. Dlatego stosunek stężenia jonu H + (lub OH-) do stężenia obojętnych cząsteczek H2O wynosi 1,8 x 10-9.

Innymi słowy, tylko około 2 części na miliard (ppb) cząsteczek wody dysocjuje na jony w temperaturze pokojowej. Poniższy rysunek przedstawia model 20 cząsteczek wody, z których jedna uległa dysocjacji tworząc parę jonów H + i OH-. Gdyby ta ilustracja była fotografią struktury wody w bardzo wysokiej rozdzielczości, to na parę jonów H + i OH- napotkalibyśmy średnio tylko raz na 25 milionów takich zdjęć.

Operacyjna definicja kwasów i Zasady

Fakt, że woda dysocjuje, tworząc jony H + i OH-w odwracalnej reakcji, jest podstawą do operacyjnej definicji kwasów i zasad, która jest silniejsza niż definicje zaproponowane przez Arrheniusa. W sensie operacyjnym kwas to dowolna substancja, która po rozpuszczeniu w wodzie zwiększa stężenie jonu H +. Zasada to dowolna substancja, która zwiększa stężenie jonu OH- po rozpuszczeniu w wodzie.

Te definicje wiążą teorię kwasów i zasad z prostym testem laboratoryjnym dla kwasów i zasad. Aby zdecydować, czy związek jest kwasem czy zasadą, rozpuszczamy go w wodzie i testujemy roztwór, aby sprawdzić, czy stężenie jonów H + lub OH wzrosło.

Typowe kwasy i zasady

Właściwości kwasów i zasad wynikają z różnic między chemią metali i niemetale, jak widać z chemii tych klas związków: wodoru, tlenków i wodorotlenków.

Związki zawierające wodór związany z niemetalem nazywane są wodorkami niemetalowymi. Ponieważ zawierają wodór w stanie utlenienia + 1, związki te mogą działać jako źródło jonów H + w wodzie.

Z drugiej strony wodorki metali zawierają wodór związany z metalem. Ponieważ związki te zawierają wodór na stopniu utlenienia a-1, dysocjują w wodzie, dając jon H- (lub wodorek).

Jon H- ze swoją parą elektronów walencyjnych może odciągnąć jon H + z cząsteczki wody.

Ponieważ usuwanie jonów H + z cząsteczek wody jest jednym sposobem na zwiększenie stężenia jonów OH- w roztworze, wodorki metali są zasadami.

Podobny wzór można znaleźć w chemii tlenków formowanych przez metale i niemetale. Tlenki niemetali rozpuszczają się w wodzie tworząc kwasy. CO2 rozpuszcza się w wodzie dając kwas węglowy, SO3 daje kwas siarkowy, a P4O10 reaguje z wodą dając kwas fosforowy.

Tlenki metali z drugiej strony są podstawami. Tlenki metali formalnie zawierają jon O2-, który reaguje z wodą, tworząc parę jonów OH-.

Tlenki metali pasują zatem do definicji operacyjnej abase.

Widzimy ten sam wzór w chemii związków, które zawierają OH, lub wodorotlenek, grupa. Wodorotlenki metali, takie jak LiOH, NaOH, KOH i Ca (OH) 2, to zasady.

Niemetalowe wodorotlenki, takie jak kwas podchlorawy (HOCl), są kwasami.

Poniższa tabela zawiera podsumowanie trendów zaobserwowanych w tych trzech kategoriach związków. Wodorki metali, tlenki metali i wodorotlenki metali są zasadami. Wodorki niemetali, tlenki niemetali i wodorotlenki niemetali to kwasy.

Typowe kwasy i zasady

Kwaśne atomy wodoru w wodorotlenkach niemetali w powyższej tabeli nie są związane z azotem, atomy siarki, fosforu. W każdym z tych związków kwaśny atom wodoru jest przyłączony do atomu tlenu. Związki te są więc wszystkimi przykładami kwasów tlenowych.

Struktury szkieletu ośmiu kwasów tlenowych są podane na poniższym rysunku. Zasadniczo , kwasy zawierające tlen mają strukturę szkieletową, w której kwaśne atomy wodoru są przyłączone do atomów tlenu.

• Kwasy reagują z wodą, przekazując jon H + do neutralnej cząsteczki wody, tworząc jon H3O +.

• Zasady reagują z wodą, przejmując jon H + z cząsteczki wody, tworząc jon OH-.

• Cząsteczki wody mogą działać jako półprodukty w reakcjach kwasowo-zasadowych poprzez pozyskiwanie jonów H + z kwasu

i następnie utratę tych jonów H + na rzecz zasady.

Model Brnsteda można rozszerzyć na reakcje kwasowo-zasadowe w innych rozpuszczalnikach. Na przykład istnieje niewielka tendencja w likwidacji jonów H + z jednej cząsteczki NH3 do drugiej, tworząc jony NH4 + i NH2.

Analogicznie do chemii roztworów wodnych dochodzimy do wniosku, że kwasy w ciekłym amoniaku obejmują dowolne źródło jonów NH4 +, a zasady obejmują dowolne źródło jonów NH2.

Model Brnsteda można nawet rozszerzyć na reakcje, które nie zachodzą w roztworze. Klasyczny przykład reakcji gaz-faza kwas-zasada występuje, gdy otwarte pojemniki ze stężonym kwasem solnym i wodnym roztworem amoniaku są trzymane obok siebie . Biała chmura chlorku amonu wkrótce tworzy się, gdy gaz HCl, który ucieka z jednego roztworu, reaguje z gazem NH3 z drugiego.

Ta reakcja obejmuje przeniesienie jonu H + z HCl do NH3 i dlatego jest reakcją kwasowo-zasadową Brnsteda, nawet jeśli występuje w fazie gazowej.