Interested Article - Кислотно-основная теория Брёнстеда–Лоури

Теория Брёнстеда — Лоури — это кислотно-основная теория , которую предложили независимо друг от друга датский физикохимик Йоханнес Николаус Брёнстед и его британский коллега Томас Мартин Лоури в 1923 году. Фундаментальная основа этой теории заключается в том, что когда кислота и основание реагируют между собой, кислота образует , а основание образует сопряжённую кислоту с помощью обмена протоном (катионом водорода, или H ⁺ ). Эта теория является обобщением теории Аррениуса .

Определения кислот и оснований

Брёнстед, Йоханнес Николаус
Лоури, Томас Мартин

В теории Аррениуса кислоты — это соединения, которые в водном растворе диссоциируют, высвобождая H ⁺ (катион водорода*), в то время как основания — соединения, в водном растворе диссоциирующие с образованием OH ^- (гидроксид-аниона).

В 1923 году физикохимики Й. Н. Брёнстед в Дании и Т. М. Лоури в Англии, оба выдвинули эту теорию, которая ныне носит их имена. В теории Брёнстеда — Лоури кислоты и основания определяются тем, как они реагируют друг с другом, что ведет к большей общности. Определение выражается в виде равновесной реакции

кислота + основание ⇌ сопряжённое основание + сопряжённая кислота.

С кислотой вида HA это равенство можно записать в следующем виде:

{\ce {HA + B <=> A- + HB+}}

Знак равновесия, ⇌, используется потому что реакция может идти как в прямом, так и в обратном направлениях. Кислота, HA, может потерять протон, чтобы стать ее сопряжённым основанием A ⁻ . Основание, B, может принять протон, чтобы стать его сопряжённой кислотой HB ⁺ . Большинство кислотно-основных реакций протекают быстро, вследствие чего реагенты обычно находятся в динамическом равновесии друг с другом.

Водные растворы

Уксусная кислота , слабая кислота, отдаёт протон (катион водорода, на схеме показано зелёным) молекуле воды в равновесной реакции. В результате образуется ацетат-ион и ион гидроксония . Красный: кислород, черный: углерод, белый: водород.

Рассмотрим следующую кислотно-основную реакцию:

{\ce {CH3 COOH + H2O <=> CH3 COO- + H3O+}}

Уксусная кислота , ${\ce {CH3COOH}}$ , является кислотой, потому что она предоставляет протон молекуле воды ( ${\ce {H2O}}$ ), становясь сопряженным основанием, ацетат -ионом ${\ce {CH3COO-}}$ . Молекула воды является основанием, так как она принимает протон от ${\ce {CH3COOH}}$ , становясь сопряженной кислотой, ионом гидроксония ${\ce {H3O+}}$ .

Обратной кислотно-основной реакции также является кислотно-щелочная реакция между сопряженной кислотой основания в первой реакции и сопряженной основой кислоты. В приведенном выше примере ацетат является основанием обратной реакции, а ион гидроксония является кислотой.

{\ce {H3O ^{+}+ CH3 COO- <=> CH3 COOH + H2O}}

В отличие от теории Аррениуса теория Брёнстеда — Лоури не требует, чтобы кислота диссоциировала.

Амфотерные вещества

Суть теории Брёнстеда — Лоури состоит в том, что кислота существует как таковая только по отношению к основанию, и наоборот. Вода имеет амфотерный характер, т. е. может вести себя и как кислота, и как основание. На изображении выше вторая молекула воды ведёт себя как основание и получает H ⁺ , становясь H ₃ O ⁺ , в то время как другая молекула воды ведёт себя как кислота и теряет H ⁺ , становясь OH ⁻ .

Другим примером служат такие вещества, как гидроксид алюминия (III), Al(OH) ₃ .

${\ce {Al (OH)3 + OH- <=> Al(OH)^{-}4}}$ , как кислота

${\ce {3H+ + Al (OH)3<=> 3H2O + Al^{3+}(p-p)}}$ , как основание

Неводные растворы

Катион водорода или гидроксония — это кислоты Брёнстеда — Лоури в водных растворах, а гидроксид-анион - основание, согласно реакции самодиссоциации

{\ce {H2O + H2O <=> H3O+ + OH-}}

Аналогичная реакция происходит в жидком аммиаке .

{\ce {NH3 + NH3 <=> NH4+ + NH2^{-}}}

Таким образом, катион аммония играет туже роль в жидком аммиаке, что и катион гидроксония в водном растворе, а амид-анион ту же, что и гидроксид-анион. Соли аммония ведут себя как кислоты, а амиды как основания.

Некоторые неводные растворители могут вести себя как основания, то есть акцепторы протонов, в отношении кислот Брёнстеда — Лоури.

{\ce {HA + S <=> A- + SH+}}

где S — молекула растворителя. Наиболее важные такие растворители, как диметилсульфоксид , ДМСО и ацетонитрил , CH3CN, поскольку они широко используются для измерения константы диссоциации кислоты . Поскольку диметилсульфоксид более сильный акцептор протонов, нежели вода, то кислоты в нем становятся сильнее по сравнению с водой. В действительности многие молекулы ведут себя как кислоты в неводных растворителях, в отличие от водных, где они могут вести себя как основания. Это хорошо заметно на примере карбоновых кислот , где протон полностью освобождается из C-H связи.

Некоторые неводные растворители могут вести себя как кислоты. Кислотные растворители усиливают основность растворяемых в них веществ. Например соединение CH3COOH, известно как уксусная кислота , потому что в водной среде ведет себя как кислота, отдавая протон. Однако уксусная кислота ведёт себя как основание в жидком HCl , сильном кислом растворителе.

{\ce {HCl + CH3COOH <=> Cl- + CH3C(OH)2+}}

Сравнение с кислотно-основной теорией Льюиса

В том же году, когда Брёнстед и Лоури опубликовали свою теорию, Льюис предложил альтернативную теорию, описывающую кислотно-основные свойства веществ. Теория Льюиса основана на электронных структурах . Основанием Льюиса называется соединение, которое может отдать электронную пару кислоте Льюиса , соединению, что может принять электронную пару. Предложение Льюиса дает объяснение классификации Бренстеда — Лоури с точки зрения электронной структуры.

{\ce {HA + B <=> A- + BH+}}

В этой схеме и основание, B, и сопряжённое основание, A-, несущие не поделённую пару электронов, а протон, представляющий собой кислоту Льюиса, переносится между ними.

Позже Льюис писал: "Ограничение термина кислот веществами, содержащими водород, так же серьезно мешает понимаю систематической химии, как и ограничение термина окислитель веществами, содержащими кислород ". В теории Льюиса кислота, A, и основание, B, формируют продукт, AB, в котором не поделённая электронная пара используется для формирования донорно-акцепторной связи между A и B. На иллюстрации выше это показано реакцией образованием аддукта H ₃ N−BF ₃ из аммиака и трифторида бора , которая не может проходить а водном растворе, так как трифторид бора бурно реагирует с водой в ходе реакции гидролиза.

{\ce {BF3 + 3H2O -> B (OH)3 + 3HF}}

{\ce {HF <=> H+ + F-}}

Эти реакции показывают, что BF ₃ — кислота как в теории Льюиса, так и в теории Брёнстеда — Лоури, и подчёркивают сходства между двумя теориями.

Борная кислота признается кислотой Льюиса на основании реакции

{\ce {B(OH)3 + H2O <=> B(OH)4- + H+}}

В этом случае кислота не диссоциирует, а основание, H2O, диссоциирует. Однако раствор B(OH)3 считается кислотными, так как в ходе реакции высвобождается катион водорода.

Имеются убедительные признаки того, что разбавленные водные растворы аммиака содержат незначительное количество иона аммония.

{\ce {H2O + NH3 -> OH- + NH+4}}

и что при растворении в воде аммиак действует как основание Льюиса.

Сравнение с теорией Люкса — Флада

Реакции между оксидами в твердом или жидком состоянии не включены в теорию Брёнстеда — Лоури. Например, реакция

{\ce {2MgO + SiO2 -> Mg2 SiO4}}

не подпадает под определение кислот и оснований Брёнстеда — Лоури. С другой стороны, оксид магния действует как основание, когда он реагирует с водным раствором кислоты.

{\ce {2H+ + MgO(s) -> Mg^{2+}(aq) + H2O}}

Было предсказано, что растворённый SiO₂ является слабой кислотой по Брёнстеду — Лоури.

{\ce {SiO2(s) + 2H2O <=> Si(OH)4 (solution)}}

{\ce {Si(OH)4 <=> Si(OH)3O- + H+}}

Согласно (выдвинутой Германом Люксом в 1939 году и расширенной Хоконом Фладом) , такие соединения, как ${\ce {MgO}}$ и ${\ce {SiO2}}$ в твердом состоянии, могут быть классифицированы как кислоты или основания. Например, минерал оливин можно рассматривать как соединение основного оксида ${\ce {MgO}}$ с кислым оксидом, кремнезёмом, ${\ce {SiO2}}$ . Эта классификация важна в геохимии .

Использованная литература

Примечания

(англ.) . www.britannica.com . Дата обращения: 13 июня 2022. 14 июня 2022 года.
J. N. Brönsted. (англ.) // Recueil des Travaux Chimiques des Pays-Bas. — 1923. — Vol. 42 , iss. 8 . — P. 718–728 . — doi : . 25 июня 2022 года.
T. M. Lowry. (англ.) // Journal of the Society of Chemical Industry. — 1923-01-19. — Vol. 42 , iss. 3 . — P. 43–47 . — doi : . 14 июня 2022 года.