Brønsted w swoim laboratorium

Reakcja kwasu z zasadą jest więc reakcją wymiany protonów; jeżeli kwas oznaczymy przez AH, a zasadę przez B, to uogólnioną reakcję kwasowo-zasadową możemy zapisać jako

AH + B → A- + BH+(3-2)

Zauważmy, że reakcja odwrotna do tej reakcji,

BH+ + A- → B + AH(3-3)

jest również reakcją kwasowo-zasadową. Ponieważ reakcje przeniesienia protonu są odwracalne, wynika z tego, że przeniesienie protonu z kwasu do zasady musi koniecznie utworzyć nową parę gatunków, które mogą, przynajmniej w zasadzie, stanowić własną parę kwasowo-zasadową, którą określamy jako sprzężoną parę kwasowo-zasadową:

Termin sprzężony oznacza „połączony z”, co oznacza, że człony każdej sprzężonej pary są „połączone” obecnością lub brakiem jednego protonu.

To, które gatunki są uważane za „sprzężone” zależy od kierunku, w którym zapisana jest reakcja, jak pokazano poniżej dla przeniesienia protonu w (3-1):

Podobnie, dla uogólnionych przeniesień protonu (3-2) i (3-3), mamy

W poniższej tabeli przedstawiono pary sprzężone kilku typowych układów kwasowo-zasadowych.

Możemy spojrzeć na uogólnioną reakcję kwas – zasada

.zasadę

jako współzawodnictwo dwóch zasad o proton:

Jeśli zasada H2O przeważnie wygrywa tę walkę, to o kwasie HA mówi się, że jest mocnym kwasem. Tak właśnie dzieje się z kwasem solnym i innymi popularnymi mocnymi „kwasami mineralnymi” H2SO4, HNO3 i HClO4:

Roztwory tych kwasów w wodzie są tak naprawdę roztworami gatunków jonowych pokazanych pogrubioną czcionką po prawej stronie. Z tego wynika, że to, co nazywamy na przykład 1 M roztworem „kwasu solnego” w wodzie, w rzeczywistości nie zawiera w ogóle znaczącego stężenia HCl; jedynym prawdziwym kwasem obecnym w takim roztworze jest H3O+!

Z tych rozważań wynikają dwie ważne zasady, które trzeba nie tylko znać, ale i rozumieć:

Drugie z tych stwierdzeń nosi nazwę efektu niwelacji. Oznacza on, że chociaż siły protonowo-donorowe silnych kwasów różnią się między sobą, wszystkie one są całkowicie zdysocjowane w wodzie. Chemicy mówią, że ich siły są „wyrównane” przez rozpuszczalnik water.

Porównywalny efekt byłoby widać, jeśli jeden próbował ocenić siły kilku dorosłych przez prowadzenie serii konkursów holowania z małym dzieckiem. Można by się spodziewać, że dorośli wygraliby w przeważającej większości w każdej próbie; ich siły zostałyby „wyrównane” przez siły dziecka.

Większość kwasów, jednak są w stanie trzymać się swoich protonów mocniej, więc tylko niewielka część kwasu jest zdysocjowany. Tak więc kwas cyjanowodorowy, HCN, jest słabym kwasem w wodzie, ponieważ proton jest w stanie dzielić się elektronami pary samotnej jonu cyjankowego CN- bardziej skutecznie niż może z tymi z H2O, więc reakcja

HCN + H2O → H3O+ + CN-

postępuje tylko w bardzo małym stopniu.

.

To jest tylko ponownestwierdzenie tego, co jest zawarte w tym, co zostało powiedziane powyżej o rozróżnieniu między silnymi kwasami i słabymi kwasami. Fakt, że HCl jest silnym kwasem implikuje, że jego sprzężona zasada Cl- jest zbyt słabą zasadą, aby utrzymać proton w konkurencji z H2O lub H3O+. Podobnie, jon CN- wiąże się silnie z protonem, co czyni HCN słabym kwasem.

Fakt, że HCN jest słabym kwasem oznacza, że jon cyjankowy CN- łatwo reaguje z protonami, a więc jest stosunkowo dobrą zasadą. Jako dowód tego, sól taka jak KCN, po rozpuszczeniu w wodzie, daje lekko zasadowy roztwór:

CN- + H2O → HCN + OH-

Reakcja ta jest nadal czasami określana starą nazwą hydroliza („rozszczepianie wody”), która jest dosłownie poprawna, ale ma tendencję do zaciemniania jej tożsamości jako kolejnej reakcji kwasowo-zasadowej. Reakcje tego typu zachodzą tylko w niewielkim zakresie; 0,1M roztwór KCN jest nadal, dla wszystkich praktycznych celów, 0,1M w jonach cyjankowych.

Jedynymi naprawdę silnymi zasadami, z którymi można się spotkać w codziennej chemii są wodorotlenki metali alkalicznych, takie jak NaOH i KOH, które są zasadniczo roztworami jonu wodorotlenkowego (i oczywiście kationu.Większość innych związków zawierających jony wodorotlenkowe, takich jak Fe(OH)3 i Ca(OH)2 nie są wystarczająco rozpuszczalne w wodzie, aby dawać roztwory silnie alkaliczne, więc nie są one zwykle uważane za silne zasady.

W rzeczywistości istnieje wiele zasad, które są silniejsze niż jon wodorotlenkowy – najbardziej znane to jon tlenkowy O2- i jon amidowy NH2-, ale są one tak silne, że mogą nawet pozbawić wodę protonu:

O2- + H2O → 2 OH-

NH2- + H2O → NH3 + OH-

W ten sposób powstaje ten sam rodzaj efektu wyrównywania, który opisaliśmy dla kwasów, czego konsekwencją jest to, że

Najczęstszym tego przykładem jest chlorek amonu, NH4Cl, którego roztwory wodne są wyraźnie kwaśne:

NH4+ + H2O → NH3 + H3O+

Ponieważ ta (i podobne) reakcje zachodzą tylko w niewielkim stopniu, roztwór chlorku amonu będzie tylko lekko kwaśny.

Z niektórych przykładów podanych powyżej, widzimy, że woda może działać jako kwas

CN- + H2O → HCN + OH-

i jako zasada

NH4+ + H2O → NH3 + H3O+

Jeśli tak jest, to nie ma powodu, dla którego „woda-kwas” nie może oddać protonu „wodzie-azie”:

Reakcja ta znana jest jako autoprotoliza wody.

Chemicy nadal często odnoszą się do tej reakcji jako „dysocjacji” wody i używają równania w stylu Arrheniusa H2O → H+ + OH- jako pewnego rodzaju skrótu.

Jak omówiono w poprzedniej lekcji, proces ten zachodzi tylko w niewielkim stopniu. Oznacza to jednak, że zarówno jony hydroniowe jak i wodorotlenkowe są obecne w każdym roztworze wodnym.

Woda, która może działać zarówno jako kwas lub zasada, jest określana jako amfiprotyczna: może „obracać się w obie strony”. Substancja taka jak woda, która jest amfiprotyczna, jest nazywana amfolitem.

Jak wskazano tutaj, jon wodorotlenkowy może być również amfolitem, ale nie w roztworze wodnym, w którym jon tlenkowy nie może istnieć.

To oczywiście amfiprotyczna natura wody pozwala jej odgrywać szczególną rolę w zwykłej wodnej chemii kwasowo-zasadowej. Ale wiele innych substancji amfiprotycznych może również istnieć w roztworach wodnych. Każda taka substancja zawsze będzie miała sprzężony kwas i sprzężoną zasadę, więc jeśli potrafisz rozpoznać te dwie koniugacje substancji, będziesz wiedział, że jest ona amfiprotyczna.

Na przykład układ trójkowy {kwas karbonowy, jon wodorowęglanowy, jon węglanowy} stanowi szereg amfiprotyczny, w którym jon wodorowęglanowy jest amfolitem, różniącym się od każdego ze swoich sąsiadów dodaniem lub usunięciem jednego protonu:

Jeśli jon wodorowęglanowy jest zarówno kwasem, jak i zasadą, powinien mieć możliwość wymiany protonu z samym sobą w reakcji autoprotolizy:

HCO3- + HCO3- → H2CO3 + CO32-