Brønsted in zijn laboratorium

Een reactie van een zuur met een base is dus een protonuitwisselingsreactie; Als het zuur wordt aangeduid met AH en de base met B, dan kunnen we een veralgemeende zuur-basereactie schrijven als

AH + B → A- + BH+(3-2)

Merk op dat het omgekeerde van deze reactie,

BH+ + A- → B + AH(3-3)

ook een zuur-basereactie is. Omdat protonoverdrachtsreacties omkeerbaar zijn, volgt hieruit dat overdracht van een proton van een zuur naar een base noodzakelijkerwijs een nieuw paar soorten moet doen ontstaan dat, althans in principe, een eigen zuur-basenpaar kan vormen, dat we een geconjugeerd zuur-basenpaar noemen:

De term conjugaat betekent “verbonden met”, hetgeen impliceert dat de leden van elk geconjugeerd paar “verbonden” zijn door de aan- of afwezigheid van één proton.

Welke soorten als “geconjugeerd” worden beschouwd, hangt af van de richting waarin de reactie wordt geschreven, zoals hieronder getoond voor de protonoverdracht van (3-1):

Ook voor de veralgemeende protonoverdrachten (3-2) en (3-3) hebben we

De tabel hieronder toont de geconjugeerde paren van een aantal typische zuur-base-systemen.

We kunnen de gegeneraliseerde zuur-basebasereactie

als een competitie van twee basen om een proton:

Als de base H2O deze touwtrekkerij met overmacht wint, dan wordt het zuur HA een sterk zuur genoemd. Dit is wat er gebeurt met zoutzuur en de andere veel voorkomende sterke “minerale zuren” H2SO4, HNO3, en HClO4:

Oplossingen van deze zuren in water zijn in werkelijkheid oplossingen van de ionische soorten die hiernaast vet zijn gedrukt. Dit die het geval is, volgt dat wat wij een 1 M oplossing van “zoutzuur” in water, bijvoorbeeld noemen, eigenlijk geen significante concentratie van HCl helemaal niet bevat; het enige echte een zuur huidig in dergelijke oplossing is H3O+!

Deze overwegingen geven aanleiding tot twee belangrijke regels die je niet alleen moet kennen, maar ook moet begrijpen:

De tweede van deze beweringen wordt het nivellerende effect genoemd. Het betekent dat, hoewel de inherente proton-donorsterkten van de sterke zuren verschillen, zij alle in water volledig worden ontleed. Scheikundigen zeggen dat hun sterke punten worden “genivelleerd” door het oplosmiddel water.

Een vergelijkbaar effect zou te zien zijn als men zou proberen de sterke punten van verschillende volwassenen te beoordelen door een reeks touwtrekwedstrijden te houden met een jong kind. Men zou verwachten dat de volwassenen bij elke proef overweldigend zouden winnen; hun krachten zouden zijn “genivelleerd” door die van het kind.

De meeste zuren, echter, zijn in staat om hun protonen steviger vast te houden, zodat slechts een klein deel van het zuur wordt gedissocieerd. Zo is blauwzuur, HCN, een zwak zuur in water, omdat het proton de alleenpaarelektronen van het cyanide-ion CN- beter kan delen dan met die van H2O, zodat de reactie

HCN + H2O → H3O+ + CN-

slechts voor een zeer klein deel verloopt.

Dit is slechts een herverklaring van wat impliciet is in wat hierboven is gezegd over het onderscheid tussen sterke zuren en zwakke zuren. Het feit dat HCl een sterk zuur is, impliceert dat zijn geconjugeerde base Cl- een te zwakke base is om het proton vast te houden in concurrentie met H2O of H3O+. Evenzo bindt het CN-ion sterk aan een proton, waardoor HCN een zwak zuur is.

Het feit dat HCN een zwak zuur is, impliceert dat het cyanide-ion CN- gemakkelijk met protonen reageert, en dus een relatief goede base is. Als bewijs hiervan levert een zout als KCN, opgelost in water, een licht basische oplossing op:

CN- + H2O → HCN + OH-

Deze reactie wordt soms nog aangeduid met de oude naam hydrolyse (“watersplitsing”), die letterlijk juist is, maar de neiging vertroebelt om zijn identiteit als gewoon een andere zuur-base reactie. Reacties van dit type vinden slechts in geringe mate plaats; een 0,1M oplossing van KCN is nog steeds, voor alle praktische doeleinden, 0,1M in cyanide-ion.

De enige echt sterke basen die je in de dagelijkse scheikunde waarschijnlijk zult tegenkomen, zijn alkalimetaalhydroxiden zoals NaOH en KOH, die in wezen oplossingen zijn van het hydroxide-ion (en, uiteraard, van het kation.)

De meeste andere verbindingen die hydroxide-ionen bevatten, zoals Fe(OH)3 en Ca(OH)2, zijn niet voldoende oplosbaar in water om sterk alkalische oplossingen te geven, dus worden ze gewoonlijk niet als sterke basen beschouwd.

Er zijn eigenlijk een aantal basen die sterker zijn dan het hydroxide-ion – het bekendst zijn het oxide-ion O2- en het amide-ion NH2-, maar deze zijn zo sterk dat ze zelfs een proton uit water kunnen wegnemen:

O2- + H2O → 2 OH-

NH2- + H2O → NH3 + OH-

Dit geeft aanleiding tot hetzelfde soort nivelleringseffect dat we voor zuren beschreven, met als gevolg dat

Het meest voorkomende voorbeeld hiervan is ammoniumchloride, NH4Cl, waarvan de waterige oplossingen duidelijk zuur zijn:

NH4+ + H2O → NH3 + H3O+

Omdat deze (en soortgelijke) reacties slechts in geringe mate plaatsvinden, zal een oplossing van ammoniumchloride slechts in geringe mate zuur zijn.

Uit enkele van de hierboven gegeven voorbeelden, zien we dat water als zuur

CN- + H2O → HCN + OH-

en als base

NH4+ + H2O → NH3 + H3O+

Als dit zo is, dan is er geen reden waarom “water-de-zuur” geen proton kan afstaan aan “water-de-base”:

Deze reactie staat bekend als de autoprotolyse van water.

Chemici noemen deze reactie nog steeds vaak de “dissociatie” van water en gebruiken de Arrhenius-vergelijking H2O → H+ + OH- als een soort steno.

Zoals in de vorige les besproken, komt dit proces slechts in zeer geringe mate voor. Het betekent echter wel dat in elke waterige oplossing zowel hydronium- als hydroxide-ionen aanwezig zijn.

Water, dat zowel als zuur of als base kan werken, wordt amfiprotisch genoemd: het kan “beide kanten op slingeren”. Een stof als water die amfiprotisch is, wordt een amfolyt genoemd.

Zoals hier is aangegeven, kan het hydroxide-ion ook een amfolyt zijn, maar niet in een waterige oplossing waarin het oxide-ion niet kan bestaan.

Het is natuurlijk de amfiprotische aard van water die het in staat stelt zijn speciale rol te spelen in de gewone zuur-base chemie in het water. Maar veel andere amfiprotische stoffen kunnen ook in waterige oplossingen voorkomen. Elke dergelijke stof zal altijd een geconjugeerd zuur en een geconjugeerde base hebben, dus als je deze twee conjugaten van een stof kunt herkennen, weet je dat het een amfiprotische stof is.

Zo vormt de drietallige reeks {carbonzuur, bicarbonaation, carbonaation} een amfiprotische reeks waarin het bicarbonaation de amfolyt is, die van elk van zijn buren verschilt door de toevoeging of verwijdering van één proton:

Als het bicarbonaation zowel een zuur als een base is, moet het in staat zijn een proton met zichzelf uit te wisselen in een autoprotolyse-reactie:

HCO3- + HCO3- → H2CO3 + CO32-