כיצד מוגדרת תיאוריית חומצת-בסיס ברונסטד ולורי?

חומר שמסוגל לתרום פרוטון הוא חומצה, ואילו זה שמקבל את הפרוטון הוא בסיס. את ההגדרה המאוד כללית הזו של חומצות ובסיסים הביאו הכימאים J.N. Brønsted ו-T.M. לורי ב-1923, מבוסס על תפיסת ההעברה של H⁺ בתגובת חומצה-בסיס.

Arrhenius הגדיר פרוטונים H⁺ כמינים מבודדים, אם כי כיום ידוע שבתמיסה יש להם משיכה גבוהה עם מולקולות מים והם יוצרים יוני הידרוניום (\({H_3}{O^ + }\)). בהתבסס על שני מושגים אלה אנו חוקרים תגובת חומצה-בסיס ידועה:

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

במקרה זה, חומצה אצטית היא זו שתורמת מימן חומצי בעוד מים פועלים כבסיס, לוקחים את הפרוטון שנתרם. בתורם, נוצרים שני מינים יוניים חדשים, שהם החומצות והבסיסים המצומדים של החומצות והבסיסים מהם הגיעו. במקרה זה, המין \({C_2}{H_3}{O_2}^ – \) הוא הבסיס המצומד של חומצה אצטית ואילו \({H_3}{O^ + }\) היא החומצה המצומדת של מים. לכן, צמד החומצה-בסיס המצומד שונה רק בנוכחות מימן חומצי, ויתרה מכך, מתקיימת הנחת היסוד שלכל חומצה יש את הבסיס המצומד שלה ולהיפך.

כעת נסקור את התגובה הבאה:

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

במקרה זה, יש לנו זוג חומצה-בסיס מצומד שהוא מים ויון הידרוקסיל בהתאמה, ובסיס, אמוניה, עם הזוג המצומד שלו, המין בעל אופי החומצה \(N{H_4}^ + \).

כעת, אתם עשויים לתהות, איך זה שהמים פועלים גם כחומצה וגם כבסיס? יכולת זו ידועה בשם אמפוטריות. כלומר, חומר שיכול לפעול בשתי הדרכים בהתאם למי הוא משולב הוא חומר אמפוטרי.

בדיוק כפי שאנו מגדירים זוגות מצומדים, יש להם מאפיין מיוחד: ככל שלחומצה בזוג יש יותר חוזק חומצי, כך החוזק הבסיסי נמוך יותר. יהיה הבסיס המצומד שלו, והוא מקביל למקרה של הבסיסים, ככל שעוצמת הבסיסיות תהיה גדולה יותר, הזוג המצומד שלו יקטין את החוזק של הבסיס. חוּמצָה. הם יתהו על איזה כוח אנחנו מדברים?

ובכן, כאשר חומצה חזקה אנחנו מדברים על מין שמסוגל לתרום לחלוטין מימן חומצי, להעביר את כל הפרוטונים שלו למים ולהתנתק לחלוטין. אחרת, חומצות חלשות מיוננות חלקית בתמיסה מימית, זה מרמז שחלק מהחומצה יימצא כמינים מנותקים וחלק ישמור על המבנה שלה. הבה נסתכל על הדוגמאות האופייניות הבאות:

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

זוהי חומצה חזקה, שכן היא מתנתקת לחלוטין, ומתרחשת באופן דומה עם נתרן הידרוקסיד, שהוא בסיס חזק:

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

אם נחקור את התגובה של חומצה אצטית בתמיסה מימית, נציין שיש שיווי משקל בין המינים, מכיוון שהניתוק אינו שלם ולפיכך קיים קבוע חומציות תרמודינמי השולט בתהליך, המתבטא כפונקציה של הפעילויות של מִין; עם זאת, בתמיסות מדוללות, ניתן להעריך זאת באמצעות הריכוזים המולאריים:

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

בעוד שבמקרה של בסיסים חלשים אנו יכולים לתאר את המידה שבה הבסיס האמור מיינן אם מדברים על קבוע הבסיסיות התרמודינמי שלו, כך הוא המקרה של אמוניה:

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

קבועים אלה מוצגים בטמפרטורות ייחוס בעוד שקיימת גם ביבליוגרפיה המציינת את רמת החומציות או הבסיסיות של תרכובות מסוימות.

לבסוף, נתייחס לאוטוניזציה של מים, כפי שכבר ראינו, למים יש גם בסיס וגם חומצה מצומדת, כשהם מסוגלים לתאר תופעה זו בתגובת היינון שלה:

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

נוכל להגדיר את התהליך הזה כפי שעשינו בעבר באמצעות המעורבות הקבועה, שתהיה:

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

בהסתמך על סידור מתמטי נוכל לבטא את התוצר היוני של מים כקבוע הבא:

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

שהערך שלו ב-25ºC קבוע והוא: 1×10-14, מה שמרמז שאם הפתרון הוא ניטרלי, כלומר שווה כמות חומצה מאשר בסיס, כל אחד מהריכוזים של המינים היוניים יהיה: 1×10-7 מול/ליטר.