Hlavní obsah
Kurz: Chemie > Kapitola 9
Lekce 1: Kyseliny, zásady a pHBrønstedova-Lowryho teorie kyselin a zásad
Zavedení Brønstedovy-Lowryho teorie kyselin a zásad. Jakým způsobem lze rozeznat silnou a slabou kyselinu a co jsou v tomto případě konjugované páry.
Co je potřeba si zapamatovat
- Brønstedova-Lowryho kyselina je jakákoliv látka schopná darovat proton
. - Brønstedova-Lowryho zásada je jakákoliv látka schopná proton přijmout, což vyžaduje volný elektronový pár, na který se
naváže. - Voda je amfoterní, což znamená, že se může chovat jako Brønstedova-Lowryho kyselina i jako Brønstedova-Lowryho zásada.
- Silné kyseliny a zásady ve vodném roztoku plně ionizují, zatímco slabé kyseliny a zásady ionizují pouze částečně.
- Konjugovaná báze Brønstedovy-Lowryho kyseliny vznikne poté, co kyselina daruje proton. Konjugovaná kyselina Brønstedovy-Lowryho zásady se vytvoří poté, co zásada přijme proton.
- Tyto dvě látky v konjugovaném páru kyselina-zásada (báze) mají stejný molekulární vzorec až na to, že kyselina má v porovnání s konjugovanou bází navíc
.
Úvod
V předchozím článku o Arrheniových kyselinách a zásadách, jsme se dozvěděli, že Arrheniovou kyselinou je jakákoliv látka, která ve vodném roztoku zvyšuje koncentraci , a Arrheniovou zásadou je jakákoliv látka, která ve vodném roztoku zvyšuje koncentraci . Hlavním omezením Arrheniovy teorie je, že popisuje chování kyselin a zásad pouze ve vodě. V tomto článku se zaměříme na obecnější Brønstedovu-Lowryho teorii, která se dá uplatnit na širší spektrum chemických reakcí.
Brønstedova-Lowryho teorie kyselin a zásad
Brønstedova-Lowryho teorie popisuje vzájemné působení kyselin a bází z hlediska přenosu protonů mezi chemickými látkami. Brønstedova-Lowryho kyselina je jakákoliv látka, která může darovat proton , a zásada je látka, která může proton přijmout. To znamená, že z hlediska chemické struktury musí Brønstedova-Lowryho kyselina obsahovat vodík, který může disociovat ve formě . Naopak Brønstedova-Lowryho zásada musí obsahovat alespoň jeden volný elektronový pár, aby mohla proton přijmout a vytvořit s ním novou vazbu.
Podle Brønstedovy-Lowryho definice je acidobazická reakce jakákoliv reakce, ve které dojde k přenosu protonu z kyseliny na bázi. Tuto Brønstedovu-Lowryho definici můžeme aplikovat na acidobazické reakce v jakémkoliv rozpouštědle a také na reakce v plynné fázi. Uvažujme například reakci plynného amoniaku s plynnou kyselinou chlorovodíkovou za vzniku pevného chloridu amonného :
Reaktanty a produkty této rovnice také můžeme znázornit pomocí strukturních elektronových (Lewisových) vzorců:
V této reakci daruje svůj proton—znázorněný modře— . Z tohoto důvodu má roli Brønstedovy-Lowryho kyseliny. Jelikož má volný elektronový pár, tak je to Brønstedova-Lowryho zásada.
Všimni si, že výše uvedená reakce by podle Arrheniovy teorie nebyla acidobazickou reakcí, protože žádná zúčastněná látka ve vodě netvoří nebo . Nicméně obsažená chemická změna přenos protonu z k za vytvoření je velmi podobná tomu, k čemu dochází ve vodné fázi.
Pro lepší pochopení uvedených definic se pojďme podívat na další příklady.
Určování kyselin a bází podle Brønstedovy-Lowryho definice
V reakci kyseliny dusičné a vody daruje kyselina dusičná proton—zobrazený modře—vodě, takže se zachová jako Brønstedova-Lowryho kyselina.
Jelikož voda přijme od kyseliny dusičné proton , tak se voda chová jako Brønstedova-Lowryho zásada. V této reakci dochází k silnému upřednostňování vzniku produktů, a proto má reakční šipka pouze směr doprava.
Nyní se podívejme na reakci amoniaku ve vodě:
V této reakci daruje voda jeden ze svých protonů amoniaku. Po ztrátě protonu se z vody stane hydroxid . Voda je tedy v této reakci dárce protonu a chová se jako Brønstedova-Lowryho kyselina. Amoniak proton od vody přijme a vytvoří se amonný kation . Amoniak se tedy chová jako Brønstedova-Lowryho zásada.
V předchozích reakcích jsme viděli, že se voda chová jako Brønstedova-Lowryho zásada—v reakci s kyselinou dusičnou—a jako Brønstedova-Lowryho kyselina—v reakci s amoniakem. Protože je voda schopná přijmout i darovat proton, tak ji považujeme za látku amfoterní nebo amfiprotickou, což znamená, že se dovede chovat jako Brønstedova-Lowryho kyselina i Brønstedova-Lowryho zásada.
Silné a slabé kyseliny: disociují nebo nedisociují?
Silná kyselina je látka, která ve vodném roztoku plně disociuje na ionty svých složek. Příkladem silné kyseliny je kyselina dusičná. Ve vodě plně disociuje a vytváří hydroxoniový kation a dusičnanový anion . Po proběhnutí reakce nejsou v roztoku žádné molekuly .
Naopak slabá kyselina ve vodném roztoku plně nedisociuje na ionty svých složek. Příkladem slabé kyseliny je kyselina octová , která je přítomna v octu. Kyselina octová ve vodě částečně disociuje za vzniku hydroxoniového kationtu a octanového aniontu :
Všimni si, že v této reakci máme reakční šipky směřující do obou směrů: . To značí, že disociace kyseliny octové je v dynamické rovnováze, kdy v roztoku bude přítomno významné množství molekul kyseliny octové, které jsou přítomny jako neutrální molekuly stejně jako ve formě disociovaných iontů a .
Častá otázka je “Jak poznáme, zda se jedná o silnou nebo slabou kyselinu?” To je ale skvělá otázka! Krátká odpověď zní, že máme pouze několik silných kyselin a všechny ostatní jsou tak považovány za slabé. Jakmile se seznámíme s běžnými silnými kyselinami, tak už snadno poznáme, které jsou silné a které slabé kyseliny.
Následující tabulka obsahuje příklady běžných silných kyselin.
Běžné silné kyseliny
Název | Vzorec |
---|---|
Kyselina chlorovodíková | |
Kyselina bromovodíková | |
Kyselina jodovodíková | |
Kyselina sírová | |
Kyselina dusičná | |
Kyselina chloristá |
Silné a slabé zásady
Silná zásada je zásada, která ve vodném roztoku plně ionizuje. Příkladem silné zásady je hydroxid sodný . Hydroxid sodný ve vodě plně disociuje na sodné kationty a hydroxiodové anionty.
Takže pokud vytvoříme vodný roztok hydroxidu sodného, tak nakonec budou v roztoku přítomny pouze ionty a . Nepředpokládáme, že by v roztoku byly nedisociované molekuly .
Teď se podívejme na roztok ve vodě. Amoniak je slabá kyselina, takže ve vodě bude částečně ionizovaný:
Některé molekuly amoniaku přijmou od vody proton a vzniknou amonné kationty a hydroxidové anionty. V dynamické rovnováze si molekuly amoniaku neustále vyměňují protony s vodou a amonné kationty neustále darují protony zpět hydroxidu. Hlavní složkou roztoku je neionizovaný amoniak , protože amoniak vodu deprotonuje pouze ve velmi malém rozsahu.
Běžné silné zásady zahrnují hydroxidy prvků 1. a 2. skupiny.
Běžné slabé zásady zahrnují neutrální sloučeniny dusíku jako je amoniak, trimethylamin a pyridin.
Příklad 1: Napiš acidobazickou reakci hydrogenfosforečnanu.
Hydrogenfosforečnan se ve vodném roztoku může chovat jako slabá zásada nebo slabá kyselina.
Napiš vyčíslenou rovnici hydrogenfosforečnanu, který se ve vodě chová jako slabá zásada.
Jelikož se hydrogenfosforečnan chová jako Brønstedova-Lowryho zásada, tak se voda musí chovat jako Brønstedova-Lowryho kyselina. To znamená, že voda daruje proton za vzniku hydroxidu. Přidání protonu k hydrogenfosforečnanu vede ke vzniku :
Jelikož se v tomto případě hydrogenforsforečnan chová jako slabá zásada, tak v celkové reakci použijeme rovnovážné šipky , a tím naznačíme, že se jedná o vratnou reakci. Tím získáme následující vyčíslenou rovnici hydrogenfosforečnanu chovajícího se ve vodě jako slabá zásada:
Jak víme, že se něco jako hydrogenfosforečnan bude chovat jako kyselina nebo zásada? Krátká odpověď zní, že pokud jsou možné i jiné reakce, tak odlišné reakce budou mít také odlišné rovnovážné konstanty. To, jaká reakce proběhne, závisí na pH roztoku a na tom, jaké další sloučeniny jsou v roztoku přítomny. Tuto otázku zodpovíme detailněji, až si budeme povídat o pufrech a titracích!
Kontrola porozumění: Jak by vypadala vyčíslená rovnice, pokud by se hydrogenfosforečnan choval v roztoku jako slabá kyselina?
Konjugované páry kyselina-zásada
Nyní, když již rozumíme pojmům Brønstedovy-Lowryho kyseliny a zásady, tak se můžeme věnovat poslednímu tématu tohoto článku: konjugované páry kyselina-zásada.V Brønstedových-Lowryho acidobazických reakcích vzniká konjugovaná kyselina, když zásada přijme proton. Naopak konjugovaná báze vzniká, když kyselina svůj proton daruje. V konjugovaném páru kyselina-zásada máme tedy dvě látky, které mají stejný molekulární vzorec, ale v jednom případě má kyselina oproti konjugované bázi navíc .
Příklad 2: Disociace silné kyseliny
Uvažujme reakci silné kyseliny s vodou:
V této reakci daruje proton vodě; tudíž se chová jako Brønstedova-Lowryho kyselina. Poté, co daruje svůj proton, dojde ke vzniku aniontu ; tudíž, je konjugovanou bází .
Protože voda přijme od proton, tak se chová jako Brønstedova-Lowryho zásada. Když voda přijme proton, tak se vytvoří . Tudíž je konjugovaná kyselina .
V naší reakci obsahuje každý konjugovaný pár kyselina-zásada jednu Brønstedovu-Lowryho kyselinu a jednu Brønstedovu-Lowryho zásadu; kyselina a zásada se liší pouze jedním protonem. Obecně se dá říci, že pokud spolu Brønstedova-Lowryho kyselina a zásada reagují, tak zde budou dva konjugované páry kyselina-zásada.
Příklad 3: Ionizace slabé kyseliny
Uvažujme reakci amoniaku jako slabé zásady ve vodě:
V této reakci přijme amoniak protony od vody, a tudíž se chová jako Brønstedova-Lowryho zásada. Přijmutím protonu od vody vznikne z amoniaku . Tudíž je konjugovanou kyselinou amoniaku.
Voda daruje proton amoniaku, a tudíž se chová jako Brønstedova-Lowryho kyselina. Darováním protonu amoniaku vznikne z vody . je tudíž konjugovanou bází vody.
Jelikož je amoniak slabá zásada, tak amonné kationty mohou darovat proton hydroxidu zpět a znovu vytvořit amoniak a vodu. Takže tu je dynamická rovnováha. Tohle bude platit pro všechny reakce zahrnující slabé kyseliny a zásady.
Shrnutí
- Brønstedova-Lowryho kyselina je jakákoliv látka schopná darovat proton
. - Brønstedova-Lowryho zásada je jakákoliv látka schopná proton přijmout, což vyžaduje volný elektronový pár k navázání
. - Voda je amfoterní, což znamená, že se může chovat jak jako Brønstedova-Lowryho kyselina, tak jako Brønstedova-Lowryho zásada.
- Silné kyseliny a zásada ve vodném roztoku plně ionizují, zatímco slabé kyseliny a zásady ionizují pouze částečně.
- Konjugovaná zásada Brønstedovy-Lowryho kyseliny vzniká poté, co kyselina daruje svůj proton. Konjugovaná kyselina Brønstedovy-Lowryho zásady vzniká poté, co zásada proton přijme.
- Tyto dvě látky v konjugovaném páru kyselina-zásada (báze) mají stejný molekulární vzorec až na to, že kyselina má v porovnání s konjugovanou bází navíc
.
Cvičení 1: Rozpoznání acidobazické reakce
Která z následující reakcí je podle Brønstedovy-Lowryho teorie acidobazická?
Cvičení 2: Určování konjugovaných párů kyselina-zásada
Kyselina fluorovodíková , která ve vodě disociuje podle následující rovnice:
Co je v následující reakci konjugovanou zásadou k ?
Chceš se zapojit do diskuze?
Zatím žádné příspěvky.