Brønsted laboratoriossaan

Hapon ja emäksen reaktio on siis protoninvaihtoreaktio; jos happoa merkitään AH:lla ja emästä B:llä, voidaan yleistetty happo-emäsreaktio kirjoittaa seuraavasti

AH + B → A- + BH+(3-2)

Huomaa, että tämän reaktion käänteisreaktio,

BH+ + A- → B + AH(3-3)

on sekin happo-emäsreaktio. Koska protoninsiirtoreaktiot ovat reversiibeleitä, seuraa siitä, että protonin siirtyminen haposta emäkseen synnyttää väistämättä uuden lajiparin, joka voi ainakin periaatteessa muodostaa oman happo-emäsparin, jota kutsumme konjugaattihappo-emäspariksi:

Käsite konjugaatti tarkoittaa ”liitetty”, mikä tarkoittaa sitä, että minkä tahansa konjugaattiparin jäseniä ”yhdistää” yhden protonin läsnäolo tai puuttuminen.

Mitä lajeja pidetään ”konjugaattina”, riippuu siitä, mihin suuntaan reaktio kirjoitetaan, kuten alla on esitetty protoninsiirron (3-1) osalta:

Vastaavasti yleistetyille protoninsiirroille (3-2) ja (3-3) pätee

Alla olevaan taulukkoon on koottuna useiden tyypillisten happoemäksiset systeemit sisältävien järjestelmien konjugaattiset lajit.

Voidaan tarkastella yleistettyä happo -emäsreaktiota

kahden emäksen kilpailuna protonista:

Jos emäs H2O voittaa ylivoimaisesti tämän köydenvedon, sanotaan hapon HA olevan vahva happo. Näin tapahtuu suolahapon ja muiden yleisten vahvojen ”mineraalihappojen” H2SO4, HNO3 ja HClO4 kohdalla:

Tämän hapon liuokset vedessä ovat todellisuudessa oikealla lihavoituna esitettyjen ionilajien liuoksia. Tästä seuraa, että esimerkiksi se, mitä kutsumme 1 M:n liuokseksi ”suolahappoa” vedessä, ei todellisuudessa sisällä lainkaan merkittävää HCl-pitoisuutta; ainoa todellinen happo, joka tällaisessa liuoksessa esiintyy, on H3O+!

Näistä pohdinnoista seuraa kaksi tärkeää sääntöä, jotka sinun on paitsi tiedettävä myös ymmärrettävä:

Toisesta väitteestä toista kutsutaan tasausvaikutukseksi. Se tarkoittaa, että vaikka vahvojen happojen luontaiset protoninluovutusvoimat eroavat toisistaan, ne kaikki dissosioituvat vedessä täydellisesti. Kemistit sanovat, että liuotin vesi ”tasoittaa” niiden vahvuudet.

Vertaileva vaikutus olisi nähtävissä, jos yritettäisiin arvioida useiden aikuisten vahvuuksia käymällä pienen lapsen kanssa köydenvetokilpailuja. Aikuisten odotettaisiin voittavan ylivoimaisesti jokaisessa kokeessa; lapsen voimat olisivat ”tasoittuneet”.

Useimmat hapot pystyvät kuitenkin pitämään kiinni protoneistaan tiukemmin, joten vain pieni osa haposta dissosioituu. Siten syaanivetyhappo, HCN, on heikko happo vedessä, koska protoni pystyy jakamaan syanidi-ionin CN-:n yksinäisen elektroniparin elektroneja tehokkaammin kuin H2O:n elektronien kanssa, joten reaktio

HCN + H2O → H3O+ + CN-

toistuu vain hyvin pienessä määrin.

Tämä on vain re-toteamus siitä, mitä edellä on sanottu implisiittisesti vahvojen happojen ja heikkojen happojen erottelusta. Se, että HCl on vahva happo, merkitsee, että sen konjugaattiemäs Cl- on liian heikko emäs pitääkseen protonin kilpailussa joko H2O:n tai H3O+:n kanssa. Vastaavasti CN-ioni sitoo vahvasti protonin, mikä tekee HCN:stä heikon hapon.

Se, että HCN on heikko happo, viittaa siihen, että syanidi-ioni CN- reagoi herkästi protonien kanssa ja on siten suhteellisen hyvä emäs. Todisteena tästä on, että KCN:n kaltainen suola antaa veteen liuotettuna lievästi emäksisen liuoksen:

CN- + H2O → HCN + OH-

Tästä reaktiosta käytetään edelleen joskus vanhaa nimeä hydrolyysi (”veden halkaisu”), joka on kirjaimellisesti oikea, mutta joka on taipuvainen hämärtämään sen identiteettiä pelkkänä happoemäsreaktiona. Tämäntyyppisiä reaktioita tapahtuu vain pienessä määrin; 0,1 M:n KCN-liuos on edelleen käytännössä 0,1 M syanidi-ionia.

Ainoat todella vahvat emäkset, joihin todennäköisesti törmäät jokapäiväisessä kemiassa, ovat alkalimetallihydroksideja, kuten NaOH ja KOH, jotka ovat pohjimmiltaan liuoksia, joissa on hydroksidi-ionia (ja tietenkin kationia.)

Useimmat muut hydroksidi-ioneja sisältävät yhdisteet, kuten Fe(OH)3 ja Ca(OH)2, eivät liukene veteen niin hyvin, että niistä syntyisi voimakkaasti emäksisiä liuoksia, joten niitä ei yleensä pidetä vahvoina emäksinä.

On itse asiassa olemassa useita emäksiä, jotka ovat vahvempia kuin hydroksidi-ioni – tunnetuimpia ovat oksidi-ioni O2- ja amidi-ioni NH2-, mutta nämä ovat niin vahvoja, että ne voivat jopa riistää vedestä protonin:

O2- + H2O → 2 OH-

NH2- + H2O → NH3 + OH-

Tällöin syntyy samantyyppinen tasoitusvaikutus, jonka kuvailimme happojen kohdalla, minkä seurauksena

Yleisin esimerkki tästä on ammoniumkloridi, NH4Cl, jonka vesiliuokset ovat selvästi happamia:

NH4+ + H2O → NH3 + H3O+

Koska tämä (ja muut samankaltaisetkin) reaktiot tapahtuvat vain vähäisessä määrin, ammoniumkloridiliuos on vain lievästi hapan.

Joidenkin edellä mainittujen esimerkkien perusteella, näemme, että vesi voi toimia happona

CN- + H2O → HCN + OH-

ja emäksenä

NH4+ + H2O → NH3 + H3O+

Jos näin on, ei ole mitään syytä, miksi ”vesi-happo” ei voisi luovuttaa protonia ”vedelle-emäs”:

Tämä reaktio tunnetaan nimellä veden autoprotolyysi.

Kemistit kutsuvat tätä reaktiota edelleen usein veden ”dissosiaatioksi” ja käyttävät eräänlaisena lyhenteenä Arrhenius-yhtälöä H2O → H+ + OH-.

Kuten edellisellä oppitunnilla käsiteltiin, tätä prosessia tapahtuu vain vähäisessä määrin. Se tarkoittaa kuitenkin sitä, että missä tahansa vesiliuoksessa on sekä hydronium- että hydroksidi-ioneja.

Vettä, joka voi toimia joko happona tai emäksenä, sanotaan amfiprotiseksi: se voi ”heilua molempiin suuntiin”. Veden kaltaista ainetta, joka on amfiproottinen, kutsutaan amfolyytiksi.

Kuten tässä osoitetaan, myös hydroksidi-ioni voi olla amfolyytti, mutta ei vesiliuoksessa, jossa oksidi-ionia ei voi olla.

Veden amfiproottinen luonne on tietysti se, joka mahdollistaa sen erityisaseman tavallisessa vesiympäristön happo-emäskemiassa. Mutta myös monet muut amfiprotiset aineet voivat esiintyä vesiliuoksissa. Kaikilla tällaisilla aineilla on aina konjugaattihappo ja konjugaattiemäs, joten jos tunnistat nämä kaksi aineen konjugaattia, tiedät, että aine on amfiproottinen.

Esimerkiksi kolmoissarja {hiilihappo, bikarbonaatti-ioni, karbonaatti-ioni} muodostaa amfiprotrisen sarjan, jossa bikarbonaatti-ioni on amfolyytti, joka eroaa jommastakummasta naapureistaan yhden protonin lisäyksen tai poiston avulla:

Jos bikarbonaatti-ioni on sekä happo että emäs, sen pitäisi pystyä vaihtamaan protonin itsensä kanssa autoprotolyysireaktiossa:

HCO3- + HCO3- → H2CO3 + CO32-