Как се дефинира киселинно-основната теория на Брьонстед и Лоури?

Вещество, което може да отдаде протон, е киселина, докато това, което получава този протон, е основа. Тази много обща дефиниция на киселини и основи е въведена от химиците J.N. Brønsted и T.M. Лоури през 1923 г., въз основа на концепцията за трансфер на Х⁺ в киселинно-алкална реакция.

Арениус дефинира протоните Н⁺ като изолирани видове, въпреки че днес е известно, че в разтвор те имат силно привличане с водните молекули и образуват хидрониеви йони (\({H_3}{O^ + }\)). Въз основа на тези две концепции ние изследваме известна киселинно-алкална реакция:

\(H{C_2}{H_3}{O_2}_{\left( {ac} \right)} + {H_2}{O_{\left( l \right)}} \leftrightarrow {C_2}{H_3}{O_2 }{^ –{\left( {ac} \right)}} + \;{H_3}{O^ + }_{\left( {ac} \right)}\)

В този случай оцетната киселина е тази, която отдава киселинен водород, докато водата действа като основа, вземайки дарения протон. На свой ред се образуват два нови йонни вида, които са киселините и спрегнатите основи на киселините и основите, от които произлизат. В този случай видът \({C_2}{H_3}{O_2}^ – \) е спрегнатата основа на оцетната киселина, докато \({H_3}{O^ + }\) е спрегнатата киселина на водата. Следователно спрегнатата киселинно-основна двойка се различава само в присъствието на киселинен водород и освен това е изпълнена предпоставката, че всяка киселина има своя спрегната основа и обратното.

Сега нека прегледаме следната реакция:

\(N{H_3}_{\left( {ac} \right)} + {H_2}{O_{\left( l \right)}} \leftarrow N{H_4}{^ + {\left( {ac } \right)}} + \;O{H^ – }_{\left( {ac} \right)}\)

В този случай имаме спрегната киселинно-основна двойка, която е съответно вода и хидроксилен йон, и основа, амоняк, с нейната спрегната двойка, вида с киселинен характер \(N{H_4}^ + \).

Сега може би се чудите как водата действа едновременно като киселина и като основа? Тази способност е известна като амфотеризъм. Тоест вещество, което може да действа и по два начина в зависимост от това с кого се комбинира, е амфотерно вещество.

Точно както ние дефинираме спрегнатите двойки, те имат специфична характеристика: колкото по-киселинна сила има киселината в двойката, толкова по-ниска е основната сила. ще има своя спрегната основа и е аналогично на случая с базите, колкото по-голяма е силата на основност на базата, нейната спрегната двойка ще намали силата на киселина. Ще се чудят за каква сила говорим?

Добре тогава, когато една киселина е силна, ние говорим за вид, който е способен напълно да отдава киселинен водород, прехвърляйки всичките си протони на вода и напълно дисоциирайки. В противен случай слабите киселини са частично йонизирани във воден разтвор, това означава, че част от киселината ще бъде открита като дисоциирани видове, а част ще запази структурата си. Нека да разгледаме следните типични примери:

\(HC{l_{\left( g \right)}} + {H_2}{O_{\left( l \right)}} \to C{l^ – }_{\left( {ac} \right) } + \;{H_3}{O^ + }_{\left( {ac} \right)}\)

Това е силна киселина, тъй като се дисоциира напълно и подобно се случва с натриевия хидроксид, който е силна основа:

\(NaO{H_{\left( s \right)}} \to N{a^ + }_{\left( {ac} \right)} + \;O{H^ – }_{\left( { ac} \right)}\)

Ако изследваме реакцията на оцетна киселина във воден разтвор, отбелязваме, че има равновесие между видовете, тъй като дисоциацията не е завършен и следователно има термодинамична киселинна константа, която управлява процеса, който се изразява като функция на дейностите на видове; обаче, в разредени разтвори, може да се оцени чрез моларните концентрации:

\(Ka = \frac{{\left[ {{C_2}{H_3}{O_2}^ – } \right]\left[ {{H_3}{O^ + }} \right]}}{{\left[ {H{C_2}{H_3}{O_2}} \right]}}\)

Докато за случая на слаби основи можем да опишем степента, до която споменатата основа се йонизира, ако говорим за нейната термодинамична константа на основност, такъв е случаят с амоняка:

\(Kb = \frac{{\left[ {N{H_4}^ + } \right]\left[ {O{H^ – }} \right]}}{{\left[ {N{H_3}} \ надясно]}}\)

Тези константи са представени в таблица при референтни температури, докато има и библиография, която показва нивото на киселинност или основност на определени съединения.

И накрая, ще се позовем на автойонизацията на водата, както вече видяхме, водата има както основа, така и спрегната киселина, което може да опише това явление в нейната реакция на йонизация:

\(2{H_2}{O_{\left( l \right)}} \leftrightarrow \) \(O{H^ – }_{\left( {ac} \right)} + {H_3}{O^ + _{\left( {ac} \right)}\)

Можем да дефинираме този процес, както направихме преди, чрез включената константа, която би била:

\(Kc = \frac{{\left[ {{H_3}{O^ + }} \right]\left[ {O{H^ – }} \right]}}{{{{\left[ {{H_2 }O} \right]}^2}}}\)

Прибягвайки до математическа подредба, можем да изразим йонния продукт на водата като следната константа:

\(Kw = \left[ {{H_3}{O^ + }} \right]\left[ {O{H^ – }} \right]\)

Чиято стойност при 25ºC е постоянна и е: 1×10-14, което означава, че ако разтворът е неутрален, т.е. количество киселина спрямо основа, всяка от концентрациите на йонните видове ще бъде: 1×10-7 mol/L.