Brønsted i sitt laboratorium

En reaktion av en syra med en bas är alltså en protonutbytesreaktion; Om syran betecknas med AH och basen med B kan vi skriva en generaliserad syra-basreaktion som

AH + B → A- + BH+(3-2)

Observera att den omvända reaktionen,

BH+ + A- → B + AH(3-3)

också är en syra-basreaktion. Eftersom protonöverföringsreaktioner är reversibla följer att överföring av en proton från en syra till en bas med nödvändighet måste skapa ett nytt par av arter som åtminstone i princip kan utgöra ett eget syra-baspar, vilket vi kallar ett konjugerat syra-baspar:

Uttrycket konjugerat betyder ”kopplat till”, vilket innebär att medlemmarna i ett konjugerat par är ”kopplade” genom närvaron eller frånvaron av en proton.

Vilka arter som anses vara ”konjugerade” beror på i vilken riktning reaktionen skrivs, vilket visas nedan för protonöverföringen i (3-1):

På samma sätt har vi för de generaliserade protonöverföringarna (3-2) och (3-3) följande

Tabellen nedan visar de konjugerade paren för ett antal typiska syra-bas-system.

Vi kan betrakta den generaliserade syra-basreaktion

som en konkurrens mellan två baser om en proton:

Om basen H2O överlägset vinner denna dragkamp sägs syran HA vara en stark syra. Detta är vad som händer med saltsyra och de andra vanliga starka ”mineralsyrorna” H2SO4, HNO3 och HClO4:

Lösningar av dessa syror i vatten är egentligen lösningar av de joniska arter som visas med fet stil till höger. Av detta följer att vad vi kallar en 1 M lösning av ”saltsyra” i vatten, till exempel, egentligen inte innehåller någon betydande koncentration av HCl alls; den enda riktiga syran som finns i en sådan lösning är H3O+!

Dessa överväganden ger upphov till två viktiga regler som du inte bara behöver känna till, utan också förstå:

Det andra av dessa påståenden kallas för nivelleringseffekten. Det innebär att även om de starka syrornas inneboende proton-donatorstyrkor skiljer sig åt, är de alla fullständigt dissocierade i vatten. Kemister säger att deras styrkor ”utjämnas” av lösningsmedlet vatten.

En jämförbar effekt skulle man se om man försökte bedöma styrkorna hos flera vuxna genom att genomföra en serie dragkampstävlingar med ett litet barn. Man skulle förvänta sig att de vuxna skulle vinna överväldigande vid varje försök; deras styrka skulle ha ”jämnats ut” av barnets styrka.

De flesta syror kan dock hålla fast vid sina protoner hårdare, så endast en liten del av syran dissocieras. Cyanvätesyra, HCN, är således en svag syra i vatten eftersom protonen kan dela de ensamma parelektronerna i cyanidjonen CN- mer effektivt än vad den kan med dem i H2O, så att reaktionen

HCN + H2O → H3O+ + CN-

genomförs i endast en mycket liten utsträckning.

Det här är bara en re-uttalande av det som är underförstått i det som sagts ovan om skillnaden mellan starka syror och svaga syror. Det faktum att HCl är en stark syra innebär att dess konjugerade bas Cl- är en för svag bas för att hålla kvar protonen i konkurrens med antingen H2O eller H3O+. På samma sätt binder CN-jonen starkt till en proton, vilket gör HCN till en svag syra.

Det faktum att HCN är en svag syra innebär att cyanidjonen CN- reagerar lätt med protoner, och är därmed är en relativt bra bas. Som bevis för detta ger ett salt som KCN, när det löses upp i vatten, en svagt alkalisk lösning:

CN- + H2O → HCN + OH-

Denna reaktion benämns fortfarande ibland med sitt gamla namn hydrolys (”vattenspjälkning”), vilket är bokstavligen korrekt men tenderar att skymma dess identitet som ännu en syra-basreaktion. Reaktioner av denna typ äger endast rum i liten utsträckning; en 0,1 M lösning av KCN är fortfarande, för alla praktiska ändamål, 0,1 M i cyanidjoner.

De enda riktigt starka baserna som du troligen kommer att stöta på i den vardagliga kemin är alkalimetallhydroxider som NaOH och KOH, som i huvudsak är lösningar av hydroxidjonen (och förstås även av katjonen.)

De flesta andra föreningar som innehåller hydroxidjoner, t.ex. Fe(OH)3 och Ca(OH)2, är inte tillräckligt lösliga i vatten för att ge starkt alkaliska lösningar, så de brukar inte betraktas som starka baser.

Det finns faktiskt ett antal baser som är starkare än hydroxidjonen – mest kända är oxidjonen O2- och amidjonen NH2-, men dessa är så starka att de till och med kan beröva vatten en proton:

O2- + H2O → 2 OH-

NH2- + H2O → NH3 + OH-

Detta ger upphov till samma typ av utjämningseffekt som vi beskrev för syror, med följden att

Det vanligaste exemplet på detta är ammoniumklorid, NH4Cl, vars vattenlösningar är tydligt sura:

NH4+ + H2O → NH3 + H3O+

Då denna (och liknande) reaktioner endast äger rum i liten utsträckning, kommer en lösning av ammoniumklorid endast att vara svagt sur.

Från några av exemplen ovan, ser vi att vatten kan fungera som en syra

CN- + H2O → HCN + OH-

och som en bas

NH4+ + H2O → NH3 + H3O+

Om detta är fallet finns det ingen anledning till varför ”vatten-syran” inte kan ge en proton till ”vatten-basen”:

Denna reaktion är känd som vattnets autoprotolys.

Kemister hänvisar fortfarande ofta till denna reaktion som ”dissociation” av vatten och använder den Arrheniusliknande ekvationen H2O → H+ + OH- som ett slags förkortning.

Som diskuterades i föregående lektion sker denna process endast i en liten utsträckning. Den innebär dock att både hydronium- och hydroxidjoner finns i varje vattenlösning.

Vatten, som kan fungera antingen som syra eller bas, sägs vara amfiprotiskt: det kan ”svänga åt båda hållen”. Ett ämne som vatten som är amfiprotiskt kallas amfopolyt.

Som här anges kan hydroxidjonen också vara en amfopolyt, men inte i vattenlösning där oxidjonen inte kan existera.

Det är naturligtvis vattnets amfiprotiska natur som gör att det kan spela sin speciella roll i vanlig akvatisk syra-bas-kemi. Men många andra amfiprotiska ämnen kan också existera i vattenlösningar. Varje sådant ämne kommer alltid att ha en konjugerad syra och en konjugerad bas, så om du kan känna igen dessa två konjugerade ämnen av ett ämne vet du att det är amfiprotiskt.

Till exempel utgör trippeluppsättningen {karbonatsyra, bikarbonatjon, karbonatjon} en amfiprotrisk serie där bikarbonatjonen är amfolyten, som skiljer sig från någon av sina grannar genom att lägga till eller ta bort en proton:

Om bikarbonatjonen är både en syra och en bas bör den kunna byta ut en proton med sig själv i en autoprotolysereaktion:

HCO3- + HCO3- → H2CO3 + CO32-