Основно съдържание

Химична библиотека

Курс: Химична библиотека > Раздел 13

Урок 1: Киселини, основи и pH

Киселини и основи съгласно теорията на Брьонстед и Лоури

Основни идеи

Киселина според теорията на Брьонстед-Лоури е всяко вещество, което може да отдаде протон ( $H^{+}$ ‍).
Основа според теорията на Брьонстед-Лоури е всяко вещество, което може да приеме протон, за което е необходимо да притежава несподелена двойка електрони, които да се свържат с $H^{+}$ ‍.
Водата представлява амфолит (амфотерен електролит), което означава, че може да действа едновременно и като киселина, и като основа съгласно теорията на Брьонстед-Лоури.
Силните киселини и основи се йонизират напълно във воден разтвор, докато слабите киселини и основи се йонизират частично.
Спрегнатата основа на дадена киселина съгласно теорията на Брьонстед-Лоури е вещество, което приема протон от киселината. Спрегнатата киселина на дадена основа съгласно теорията на Брьонстед-Лоури е вещество, което отдава протон на основата.
Двете вещества в една спрегната двойка киселина-основа имат еднаква молекулна формула с изключение на това, че киселината има един $H^{+}$ ‍ повече от спрегнатата си основа.

Въведение

В предишната статия за киселини и основи съгласно теорията на Арениус научихме, че киселина на Арениус е всяко вещество, което повишава концентрацията на

H^{+}

във воден разтвор, а основа на Арениус е всяко съединение, което повишава концентрацията на

{OH}^{-}

във воден разтвор. Главното ограничение на теорията на Арениус е, че можем да опишем поведението на киселините и основите само във воден разтвор. Да разгледаме по-общата теория на Брьонстед-Лоури, която е приложима за по-широк спектър от химични реакции.

Теория за киселини и основи на Брьонстед-Лоури

Теорията на Брьонстед-Лоури описва взаимодействията киселина-основа по отношение на трансфера на протони между химичните съединения. Киселина на Брьонстед-Лоури е всяко вещество, което отдава протон

(H^{+})

, а основа на Брьонстед-Лоури е всяко вещество, което получава протон. По отношение на химичната структура това означава, че една киселина на Брьонстед-Лоури трябва да съдържа водород, който да се дисоциира като

H^{+}

. За да приеме протон, основата на Брьонстед-Лоури трябва да съдържа поне една двойка несподелени електрони, които да образуват нова връзка с протона.

Според дефиницията на Брьонстед-Лоури киселинно-основна реакция е всяка реакция, в която един протон се прехвърля от киселина в основа. Можем да използваме дефинициите на Брьонстед-Лоури, за да описваме киселинно-основни реакции за произволно разтворено вещество, дори и в газова фаза. Например да разгледаме реакцията между газообразен амоняк (

{NH}_{3}

) и газообразен хлороводород (

H Cl

), при която се образува твърдото вещество амониев хлорид (

{NH}_{4} Cl

${NH}_{3} (г) + H Cl (г) \to N H_{4} Cl (т в)$ ‍

Тази реакция може да бъде представена и чрез структури на Люис на реактантите и на продуктите, както е показано по-долу:

В тази реакция

H Cl

отдава протон (в синьо) на

{NH}_{3}

. Следователно

HCl

действа като киселина на Брьонстед-Лоури. Тъй като

{NH}_{3}

има несподелена електронна двойка, която използва, за да приеме протон,

{NH}_{3}

е основа на Брьонстед-Лоури.

Обърни внимание, че според теорията на Арениус горната реакция не е киселинно-основна реакция, защото никое от веществата не образува

H^{+}

или

{OH}^{-}

във вода. Въпреки това

-

прехвърлянето на протон от

HCl

към

{NH}_{3}

, при което се образува

{NH}_{4} Cl

-

е много подобно на това, което би се случило във воден разтвор.

За да свикнем с тези определения, да разгледаме още няколко примера.

Определяне на киселини и основи на Брьонстед-Лоури

Когато реагират азотна киселина и вода, азотната киселина

({HNO}_{3})

отдава протон (в синьо) на водата и така действа като киселина на Брьонстед-Лоури.

$H {NO}_{3} + H_{2} O \to H_{3} O^{+} + {NO}_{3}^{-}$ ‍

Тъй като водата приема протон от азотната киселина и образува

H_{3} O^{+}

, водата действа като основа на Брьонстед-Лоури. В тази реакция се благоприятства образуването на продуктите, затова стрелката сочи само надясно.

Да разгледаме реакцията на амоняк (

{NH}_{3}

) във вода:

${NH}_{3} + H_{2} O ⇌ N H_{4}^{+} + {OH}^{-}$ ‍

В тази реакция водата отдава един протон на амоняка. След като загуби протон, водната молекула става хидроксиден йон (

{OH}^{-}

). Тъй като водата е донор на протон, тя действа като киселина на Брьонстед-Лоури. Амонякът приема протон от водата, за да образува амониев йон (

{NH}_{4}^{+}

). Следователно амонякът действа като основа на Брьонстед-Лоури.

В двете предишни реакции виждаме, че водата действа като основа на Брьонстед-Лоури (в реакцията с азотна киселина) и като киселина на Брьонстед-Лоури (в реакцията с амоняка). Заради способността си да приема и да отдава протони, водата се нарича амфотерен електролит или амфотропно вещество – вещество, което може да действа като киселина и като основа на Брьонстед-Лоури.

[Какво означава представката "амфи"?]

Силни и слаби киселини: Да се дисоциирам или да не се дисоциирам?

Силна киселина е вещество, което във воден разтвор се дисоциира напълно на съставните си йони. Азотната киселина е пример за силна киселина. Във вода тя се дисоциира напълно до хидрониеви

(H_{3} O^{+})

и нитратни

({NO}_{3}^{-})

йони. След като реакцията протече, в разтвора няма да има недисоциирани молекули

{HNO}_{3}

За разлика от нея слабата киселина не се дисоциира напълно на съставните си йони. Пример за слаба киселина е оцетната киселина (

{CH}_{3} COOH

), която се съдържа в оцета. Оцетната киселина се дисоциира частично във вода и образува хидрониеви и ацетатни йони (

{CH}_{3} {COO}^{-}

${CH}_{3} COOH + H_{2} O ⇌ H_{3} O^{+} + {CH}_{3} {COO}^{-}$ ‍

Забележи, че стрелките в тази реакция сочат в двете посоки:

(⇋)

. Това означава, че дисоциацията на оцетната киселина е в динамично равновесие, като има значителна концентрация на молекули оцетна киселина, които присъстват и като неутрални молекули

{CH}_{3} COOH

, и във вид на дисоциирани йони

H^{+}

{CH}_{3} {COO}^{-}

Воден разтвор на силна киселина, ляво, и на слаба киселина, дясно. (a) Хлороводородната киселина е силна киселина, която напълно се дисоциира във вода. (b) Флуороводородната киселина е слаба киселина, която се дисоциира частично на протони и флуоридни йони.

Често задаван въпрос е "Как определяме дали дадено съединение е силна или слаба киселина?" Това е отличен въпрос! Краткият отговор е, че има само няколко силни киселини, а всички останали се смятат за слаби. След като се запознаем с често срещаните силни киселини, ще можем лесно да решаваме химичните задачи със слаби и със силни киселини.

В таблицата са дадени примери за често срещани силни киселини.

Често срещани силни киселини

Име	Формула
Хлороводородна киселина	$HCl$ ‍
Бромоводородна киселина	$HBr$ ‍
Йодоводородна киселина	$HI$ ‍
Сярна киселина	$H_{2} {SO}_{4}$ ‍
Азотна киселина	${HNO}_{3}$ ‍
Перхлорна киселина	${HClO}_{4}$ ‍

Силни и слаби основи

Силна основа е основа, която във воден разтвор се дисоциира напълно. Пример за силна основа е натриевият хидроксид (

NaOH

). Във вода натриевият хидроксид се разтваря напълно до натриеви и хидроксидни йони:

$NaOH \to {Na}^{+} + {OH}^{-}$ ‍

По този начин, ако разтворим натриев хидроксид във вода, в крайният разтвор ще присъстват само

{Na}^{+}

{OH}^{-}

йони. Не очакваме да има недисоциирани молекули

NaOH

Да разгледаме амоняка (

{NH}_{3}

) във вода. Амонякът е слаба основа, затова ще се дисоциира частично във водата:

${NH}_{3} + H_{2} O ⇌ {NH}_{4}^{+} + {OH}^{-}$ ‍

Част от молекулите на амоняка приемат протон от водата и образуват амониеви и хидроксидни йони. Получава се динамично равновесие, в което молекулите на амоняка непрекъснато обменят протони с водата, а амониевите йони отдават протони обратно на хидроксида. Главното съединение в разтвора е недисоцииран амоняк,

{NH}_{3}

, тъй като амонякът депротонира водата в малка степен.

Често срещаните силни основи включват хидроксидите от група 1 и група 2.

[Как може неразтворимо съединение да бъде силна основа?]

Често срещаните слаби основи включват неутрални азотсъдържащи съединения като амоняк, триметиламин и пиридин.

Пример 1: Записване на киселинно-основна реакция с хидрогенфосфат

Във воден разтвор хидрогенфосфатът (

{HPO}_{4}^{2 -}

) може да действа като слаба основа или като слаба киселина.

Как изглежда балансираното уравнение на реакцията на хидрогенфосфат, който действа като слаба киселина във вода?

Тъй като хидрогенфосфатът действа като основа на Брьонстед-Лоури, водата трябва да действа като киселина на Брьонстед-Лоури. Това означава, че водата ще отдаде протон и ще образува хидроксид. Добавянето на протон към хидрогенфосфата води до образуването на

H_{2} {PO}_{4}^{-}

${HPO}_{4}^{2 -} + H^{+} \to H_{2} {PO}_{4}^{-}$ ‍

Тъй като в конкретния пример хидроген фосфатът действа като слаба основа, в общата реакция ще трябва да използваме стрелките за равновесие (

⇌

), за да покажем, че реакцията е обратима. Това дава следното балансирано уравнение за реакцията на хидрогенфосфат, който действа като слаба киселина във вода:

${HPO}_{4}^{2 -} + H_{2} O ⇌ H_{2} {PO}_{4}^{-} + {OH}^{-}$ ‍

Как да знаем дали съединение като хидрогенфосфата ще действа като киселина, или като основа? Краткият отговор е, че когато са възможни различни реакции, различните равновесни реакции имат и различни равновесни константи. Кое равновесие ще бъде достигнато зависи от фактори като

pH

на разтвора и какви други съединения присъстват в разтвора. Ще обсъдим този въпрос по-детайлно, когато учим за буфери и титруване!

Проверка на концепцията: Как ще изглежда нашето балансирано уравнение, ако хидрогенфосфатът действа като слаба киселина във воден разтвор?

[Покажи отговора.]

Спрегнати двойки киселина-основа

След като вече познаваме основите и киселините на Брьонстед-Лоури, можем да обсъдим последната концепция в тази статия: спрегнати двойки киселина-основа. В една киселинно-основна реакция на Брьонстед-Лоури спрегнатата киселина е веществото, образувано след като основата приеме протон. От друга страна спрегната основа е веществото, образувано след като киселината отдаде своя протон. Двете вещества от спрегнатата двойка киселина-основа имат еднаква молекулна формула с изключение на това, че киселината има един

H^{+}

повече в сравнение със спрегнатата основа.

Пример 2: Дисоциация на силна киселина

Да разгледаме реакцията на силната киселина

HCl

и вода:

$HCl + H_{2} O \to H_{3} O^{+} + {Cl}^{-}$ ‍

киселина основа киселина основа

В тази реакция

HCl

отдава протон на водата; следователно

HCl

действа като киселина на Брьонстед-Лоури. След като

HCl

отдаде своя протон, се образува

{Cl}^{-}

йон; така

{Cl}^{-}

е спрегнатата основа на

HCl

$Спрегната двойка 1 = HCl и {Cl}^{-}$ ‍

Тъй като водата приема протон от

HCl

, водата действа като киселина на Брьонстед-Лоури. Когато водата приема протон, се образува

H_{3} O^{+}

. Следователно

H_{3} O^{+}

е спрегнатата киселина на

H_{2} O

$Спрегната двойка 2 = H_{2} O и H_{3} O^{+}$ ‍

Всяка спрегната двойка киселина - основа в нашата реакция съдържа една киселина на Брьонстед-Лоури и една основа на Брьонстед-Лоури, където киселината и основата се различават по един протон. В общия случай при реакция между киселина и основа на Брьонстед-Лоури има две спрегнати двойки киселина - основа.

Пример 3: Дисоциация на слаба основа

Да разгледаме реакцията на слабата основа амоняк във вода:

${NH}_{3} + H_{2} O ⇌ {NH}_{4}^{+} + {OH}^{-}$ ‍

основа киселина киселина основа

В тази реакция амонякът приема един протон от водата и следователно действа като основа на Брьонстед-Лоури. При получаване на протон от водата амонякът образува

{NH}_{4}^{+}

. Следователно

{NH}_{4}^{+}

е спрегнатата киселина на амоняка.

$Спрегната двойка 1 = {NH}_{3} и {NH}_{4}^{+}$ ‍

Водата, която отдава електрон на амоняка, действа като киселина на Брьонстед-Лоури. След като отдаде протон на амоняка, водата образува

{OH}^{-}

. Следователно

{OH}^{-}

е спрегнатата основа на водата.

$Спрегната двойка 2 = H_{2} O и {OH}^{-}$ ‍

Тъй като амонякът е слаба основа, амониевият йон може да отдаде протон на хидроксида и отново да образува амоняк и вода. Така съществува динамично равновесие. Това важи за реакции между слаби киселини и основи.

Резюме

Киселина на Брьонстед-Лоури е всяко вещество, което може да отдаде протон $H^{+}$ ‍.
Основа на Брьонстед-Лоури е всяко вещество, което може да приема протон, за което трябва да има несподелена двойка електрони, които да се свържат с $H^{+}$ ‍.
Водата е с амфотерен характер, което означава, че може да действа едновременно като киселина на Брьонстед-Лоури и като основа на Брьонстед-Лоури.
Силните киселини и основи се дисоциират напълно във воден разтвор, докато слабите киселини и основи се дисоциират частично във воден разтвор.
Спрегнатата основа на киселина на Брьонстед-Лоури е веществото, образувано след като киселината отдаде протон. Спрегнатата киселина на основа на Брьонстед-Лоури е веществото, образувано след като основата приеме протон.
Двете вещества в една спрегната двойка киселина-основа имат еднаква молекулна формула с изключение на това, че киселината има един $H^{+}$ ‍ повече от спрегнатата си основа.