Acizi și baze

Definiții ale acizilor și bazelor
și rolul apei

Proprietățile acizilor și bazelor conform Boyle

În 1661 Robert Boyle a rezumat proprietățile acizilor după cum urmează.

1. Acizii au un gust acru.

2. Acizii sunt corozivi.

3. Acizii schimbă culoarea anumitor coloranți vegetali, cum ar fi slitmus, de la albastru la roșu.

4. Acizii își pierd aciditatea atunci când sunt combinați cu alcalinități.

Numele „acid” provine din latinescul acidus, care înseamnă „acru” și se referă la mirosul ascuțit și gustul acid al multor acizi.

Exemple: Oțetul are un gust acru, deoarece este o soluție diluată de acid acetic în apă. Sucul de lămâie are un gust acru, deoarece conține acid citric. Laptele devine acru când se strică deoarece se formează acid lactos, iar mirosul neplăcut și acru al cărnii putrede sau al untului poate fi atribuit compușilor precum butiracidul care se formează atunci când grăsimea se strică.

În 1661 Boyle a rezumat proprietățile alcalinelor după cum urmează.

• Alcalii se simt alunecoși.
• Alcaliile schimbă culoarea turnurii de la roșu la albastru.
• Alcaliile devin mai puțin alcaline când sunt combinate cu acizi.

În esență, Boyle a definit alcalii ca substanțe care consumă sau neutralizează acizi. Acizii își pierd gustul acru caracteristic și capacitatea de a dizolva metalele atunci când sunt amestecați cu alcalii. Alcalii chiar inversează schimbarea culorii care are loc atunci când vinurile vin în contact cu un acid. În cele din urmă, alcalii au devenit cunoscute ca baze, deoarece servesc drept „bază” formând anumite săruri.

Definiția Arrhenius a acizilor și a bazelor

În 1884 Svante Arrhenius a sugerat că sărurile cum ar fi NaCldisociază atunci când se dizolvă în apă pentru a da particule numite ioni.

Trei ani mai târziu, Arrhenius a extins această teorie sugerând că acizii sunt compuși neutri care se ionizează atunci când se dizolvă în apă pentru a da ioni H + și un ion negativ corespunzător. Conform teoriei sale, clorura de hidrogen este anacidă, deoarece se ionizează atunci când se dizolvă în apă pentru a da ionii de hidrogen (H +) și clorură (Cl-) descriși în figura de mai jos.

Arrhenius a susținut că bazele sunt compuși neutri care fie se disociază, fie se ionizează în apă pentru a da ionii OH- și ionul pozitiv. NaOH este o bază Arrhenius, deoarece se disociază în apă pentru a da ionii hidroxid (OH-) și sodiu (Na +).

Prin urmare, un acid Arrhenius este orice substanță care se ionizează atunci când se dizolvă în apă pentru a da ionul H +, orhidrogen.

O bază Arrhenius este orice substanță care dă OH- sau hidroxid ion atunci când se dizolvă în apă.

Acizii Arrhenius includ compuși precum HCI, HCN și H2SO4 care se ionizează în apă pentru a da ionul H +. Bazele arhenius includ compuși ionici care conțin ionul OH, cum ar fi NaOH, KOH și Ca (OH) 2.

Această teorie explică de ce acizii au proprietăți similare: proprietățile caracteristice ale acizilor rezultă din prezența H + ion generat atunci când un acid se dizolvă în apă. De asemenea, explică de ce acizii neutralizează bazele și invers. Acizi furnizează ionul H +; bazele asigură ionul OH; iar acești ioni se combină pentru a forma apă.

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

Teoria Arrhenius are mai multe dezavantaje .

• Poate fi aplicat numai la reacțiile care apar în apă, deoarece definește acizii și bazele în ceea ce privește ceea ce se întâmplă atunci când compușii se dizolvă în apă.
• Nu este explicați de ce unii compuși în care hidrogenul are un număr de oxidare de +1 (cum ar fi HCI) se dizolvă în apă pentru a da soluții acide, în timp ce alții (cum ar fi CH4) nu.
• Numai compușii care conțin ionul OH- pot fi clasificați ca baze Arrhenius. Teoria Arrhenius nu poate explica de ce alți compuși (cum ar fi Na2CO3) au proprietățile caracteristice ale bazelor.

Rolul ionilor H + și OH în chimia soluțiilor apoase

Oxigenul becuazic (EN = 3.44) este mult mai electronegativ decât hidrogenul (EN = 2.20), electronii din iazurile HO din apă sunt „t împărțit în mod egal de hidrogen și oxigenatomi. Acești electroni sunt atrași spre atomul de oxigen din centrul moleculei și departe de atomii de hidrogen din ambele părți. Ca urmare, molecula de apă este polară. Oxigenatomul poartă o sarcină parțială negativă (-), iar atomii de hidrogen poartă o sarcină parțială pozitivă (+).

Când se disociază la formează ioni, moleculele de apă formează, prin urmare, un ion H + încărcat pozitiv și un ion OH-încărcat negativ.

Reacția opusă poate apărea și ioni H + se pot combina cu ioni OH- pentru a forma molecule de apă neutre.

Faptul că moleculele de apă se disociază pentru a forma ioni H + și OH-, care se pot recombina pentru a forma watermolecule, este indicat de următoarea ecuație.

În ce măsură se separă apa pentru a forma ionii?

La 25 ° C, densitatea apei este de 0,9971 g / cm3 sau 0,9971 g / mL. Prin urmare, concentrația de apă este de 55,35 molari.

Concentrația ionilor H + și OH- formați prin disocierea moleculelor neutre de H2O la această temperatură este numai 1,0 x 10-7 mol / L. Raportul dintre concentrația ionului H + (sau OH-) și concentrația moleculelor neutre de H2O este de aceea 1,8 x 10-9.

Cu alte cuvinte, doar aproximativ 2 părți pe miliard (ppb) de molecule de apă se disociază în ioni la temperatura camerei. Figura de mai jos prezintă un model de 20 de molecule de apă, dintre care una s-a disociat pentru a forma o pereche de ioni H + și OH. Dacă această ilustrație ar fi o fotografie de foarte înaltă rezoluție a structurii apei, am întâlni o pereche de ioni H + și OH în medie, o singură dată pentru fiecare 25 de milioane de astfel de fotografii.

Definiția operațională a acizilor și Bazele

Faptul că apa se disociază pentru a forma ioni H + și OH într-o reacție reversibilă este baza pentru o definiție operațională a acizilor și a bazelor care este mai puternică decât definițiile propuse de Arrhenius. În sens operațional, un acid este orice substanță care crește concentrația ionului H + atunci când se dizolvă în apă. O bază este orice substanță care crește concentrația ionului OH atunci când se dizolvă în apă.

Aceste definiții leagă teoria acizilor și bazelor de un simplu test de laborator pentru acizi și baze. Pentru a decide dacă compusul este un acid sau o bază, îl dizolvăm în apă și testăm soluția pentru a vedea dacă concentrația de ioni H + sau OH a crescut.

Acizi și baze tipice

Proprietățile acizilor și bazelor rezultă din diferențele dintre chimia metalelor și nemetalice, după cum se poate observa din chimia acestor clase de compuși: hidrogeni, oxizi și hidroxizi.

Compușii care conțin hidrogen legat de un nemetal se numesc hidruri nemetalice. Deoarece conțin hidrogen în starea de + 1oxidare, acești compuși pot acționa ca sursă a ionului H + în apă.

Hidrurile metalice, pe de altă parte, conțin hidrogen legat de un metal. Deoarece acești compuși conțin hidrogen în starea de oxidare a-1, se disociază în apă pentru a da ionul H- (sau hidrură).

Ionul H-, cu perechea sa de electroni de valență, poate extrage un ion H + dintr-o moleculă de apă.

Deoarece îndepărtarea ionilor H + din moleculele de apă este permanentă pentru a crește concentrația ionilor OH-soluție, hidrurile metalice sunt baze.

Un model similar poate fi găsit în chimia oxizilor formați de metale și nemetale. Oxizii nemetalici se dizolvă în apă pentru a forma acizi. CO2 se dizolvă în apă până la acid carbonic, SO3 dă acid sulfuric, iar P4O10 reacționează cu apa pentru a da acid fosforic.

Oxizi metalici , pe de altă parte, sunt baze. Metaloxizii conțin în mod oficial ionul O2-, care reacționează cu apa pentru a da o pereche de ioni OH-.

Prin urmare, oxizii metalici se potrivesc definiției operaționale a abase.

Vedem același model în chimia compușilor care conțin OH, sau hidroxid, grup. Hidroxizii metalici, cum ar fi LiOH, NaOH, KOH și Ca (OH) 2, sunt baze.

Hidroxizi nemetali, precum acidul hipocloros (HOCl), sunt acizi.

Tabelul de mai jos rezumă tendințele observate în aceste trei categorii de compuși. Hidrurile metalice, oxizii metalici și metalhidroxizii sunt baze. Hidrurile nemetalice, oxizii nemetali și hidroxizii nemetaliști sunt acizi.

Acizi și baze tipice

Atomii de hidrogen acid din hidroxizii nemetalici din tabelul de mai sus nu sunt legați de azot, în fiecare dintre acești compuși, hidrogenul acid este atașat la un atom de oxigen. Acești compuși sunt, prin urmare, allexamples de oxiacizi.

Structurile scheletice pentru opt oxiacizi sunt prezentate în figura de mai jos. Ca regulă generală , acizii care conțin oxigen au structuri scheletice în care hidrogenii acizi sunt atașați la atomii de oxigen.

• Acizii reacționează cu apa prin donarea unui ion H + la o moleculă de apă neutră pentru a forma ionul H3O +.

• Bazele reacționează cu apa prin acceptarea unui ion H + dintr-o moleculă de apă pentru a forma ionul OH.

• Moleculele de apă pot acționa ca intermediari în reacțiile acid-bazice, obținând ioni H + din acid

și pierzând apoi acești ioni H + la bază.

Modelul Brnsted poate fi extins la reacții acid-bazice în alți solvenți. De exemplu, există o mică tendință în lichid amoniac ca un ion H + să fie transferat de la o moleculă NH3 la alta pentru a forma ionii NH4 + și NH2.

Prin analogie cu chimia soluțiilor apoase , concluzionăm că acizii din amoniacul lichid includ orice sursă de ion NH4 + și că bazele includ orice sursă de ion NH2.

Modelul Brnsted poate fi extins chiar și la reacțiile care nu apar în soluție. Un exemplu clasic de reacție gaz-fazeacid-bază este întâlnit atunci când recipientele deschise de acid clorhidric concentrat și amoniac apos sunt ținute una lângă alta. . Un nor alb de clorură de amoniu se formează în curând deoarece gazul HCl care scapă dintr-o soluție reacționează cu gazul NH3 din cealaltă.

Această reacție implică transferul unui ion H + de la HCl la NH3 și, prin urmare, este o acțiune de bază a acidului Brnsted, chiar dacă are loc în faza gazoasă.