Hlavní obsah

Fyzikální chemie

Kurz: Fyzikální chemie > Kapitola 7

Lekce 1: Kyseliny, zásady a pH

Arrheniova teorie kyselin a zásad

Učebna Google

Zavedení Arrheniovy teorie kyselin a zásad, spolu s ukázkami reakcí.

Co je potřeba si zapamatovat

Arrheniova kyselina je jakákoliv látka, která zvyšuje koncentraci start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript ve vodném roztoku.
Arrheniova zásada je jakákoliv látka, která zvyšuje koncentraci start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript ve vodném roztoku.
Ve vodném roztoku reagují start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript ionty okamžitě s molekulami vody a vytvoří hydroxoniový kation, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript.
Při acidobazických nebo neutralizačních reakcích většinou Arrheniova kyselina a zásada reagují za vzniku vody a soli.

Úvod

Kyseliny a zásady jsou všude, od octu v kuchyni až po mýdlo v koupelně! Ale co to znamená, když řekneme, že něco je kyselé nebo zásadité? Abychom mohli zodpovědět tuto otázku, tak musíme nejprve prozkoumat teorie popisující kyseliny a zásady. V tomto článku se budeme zabývat Arrheniovou teorií.

Arrheniovy kyseliny

Arrheniova teorie kyselin a zásad byla původně navržena švédským chemikem Svantem Arrheniem v roce 1884. Navrhl označit určité sloučeniny jako kyseliny nebo zásady v závislosti na tom, k tvorbě jakých iontů dochází po přidání dané sloučeniny do vody.

Arrheniova kyselina je látka, která zvyšuje koncentraci start color #1fab54, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, end color #1fab54 iontů—nebo protonů—ve vodném roztoku. Například uvažujme disociační reakci kyseliny chlorovodíkové start text, H, C, l, end text ve vodě:

start color #1fab54, start text, H, end text, end color #1fab54, start text, C, l, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis, right arrow, start color #1fab54, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, end color #1fab54, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start text, C, l, end text, start superscript, minus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis

Pokud vytvoříme vodný roztok kyseliny chlorovodíkové, tak start color #1fab54, start text, H, end text, end color #1fab54, start text, C, l, end text disociuje na ionty start color #1fab54, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, end color #1fab54 a start text, C, l, end text, start superscript, minus, end superscript. Jelikož to povede ke zvýšení koncentrace start color #1fab54, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, end color #1fab54 iontů v roztoku, tak je kyselina chlorovodíková Arrheniovou kyselinou.

Vodík nebo hydroxoniový kation?

Řekněme, že máme vodný roztok kyseliny bromovodíkové (start text, H, B, r, end text) o koncentraci 2, M. Ta je Arreniovou kyselinou. Znamená to, že máme v roztoku 2, M start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript iontů?

Ve skutečnosti ne. Kladně nabité protony reagují s okolní vodou za vzniku hydroxoniových kationtů, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript. Tato reakce se dá zapsat následovně:

start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, left parenthesis, l, right parenthesis, right arrow, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis

Ačkoli často píšeme, že při disociační reakci vzniká start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, tak ve skutečnosti nejsou žádné volné start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript ionty vznášející se ve vodném roztoku. Namísto toho tu jsou hlavně start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript ionty, které se vytvoří ihned po disociaci kyseliny ve vodném roztoku. Následující obrázek s pomocí molekulového modelu ilustruje vytvoření hydroxoniového kationtu z vody a vodíkových iontů:

Když kyselina disociuje ve vodném roztoku za vytvoření start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript iontů, protonů, tak start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript ihned reagují s vodou za vytvoření start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript. Tudíž chemici používají koncentraci iontů vodíku a koncentraci hydroxoniového kationtu jako synonyma. Obrázek převzat z: UC Davis Chemwiki, CC BY-NC-SA 3.0 US

V praxi chemici používají koncentraci start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript a koncentraci start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript jako synonyma. Pokud bychom se chtěli vyjadřovat přesněji—a nebýt tak líní!—tak můžeme v disociaci kyseliny bromovodíkové explicitně ukázat vytvoření hydroxoniového kationu namísto protonů:

\begin{aligned}\text{HBr}(aq)+\text{H}_2\text{O}(l) &\rightarrow\text{H}_3\text{O}^+(aq)+\text{Br}^-(aq)~~~~~~~~{\text{Přesnější}}\\ \\ &\text{oproti} \\ \\ \text{HBr}(aq) &\rightarrow\text{H}^+(aq)+\text{Br}^-(aq)~~~~\text{Kratší a jednodušší!}\end{aligned}

Obecně jsou oba popisy přijatelné pro popis disociace Arrheniovy kyseliny.

Arrheniovy zásady

Arrheniova zásada je definována jako látka, která zvyšuje koncentraci hydroxidových iontů start color #e84d39, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, end color #e84d39 ve vodném roztoku. Příkladem Arrheniovy zásady je vysoce rozpustný hydroxid sodný start text, N, a, O, H, end text. Hydroxid sodný disociuje ve vodě následovně:

start text, N, a, end text, start color #e84d39, start text, O, H, end text, end color #e84d39, left parenthesis, a, q, right parenthesis, right arrow, start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start color #e84d39, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, end color #e84d39, left parenthesis, a, q, right parenthesis

Hydroxid sodný ve vodě plně disociuje za tvorby start color #e84d39, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, end color #e84d39 a start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript iontů, což vede ke zvýšení koncentrace hydroxiodových iontů. Proto je start text, N, a, O, H, end text Arrheniova zásada. Běžné Arrheniovy zásady zahrnují zásady 1. a 2. skupiny jako jsou například start text, L, i, O, H, end text a start text, B, a, left parenthesis, O, H, right parenthesis, end text, start subscript, 2, end subscript.

[Moment, není většina hydroxidů kovů nerozpustná?]

Všimněte si, že v závislosti na učebnici nebo učiteli chemie můžete ale nemusíte považovat zásady, které neobsahují hydroxid, za Arrheniovy zásady. Některé učebnice definují Arrheniovy zásady takto: látka, která zvyšuje koncentraci start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript ve vodném roztoku a také obsahuje alespoň jednu jednotku start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript ve svém chemickém vzorci. Tato definice nemění klasifikaci hydroxidů 1. a 2. skupiny, ale může vás trochu mást u látek jako je například metylamin start text, C, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, N, H, end text, start subscript, 2, end subscript.

Pokud přidáme methylamin do vody, tak dojde k následující reakci:

start text, C, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, N, H, end text, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, left parenthesis, l, right parenthesis, \rightleftharpoons, start text, C, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start superscript, plus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start color #e84d39, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, end color #e84d39, left parenthesis, a, q, right parenthesis

Podle první definice bude methylamin Arrheniovou zásadou, jelikož došlo ke zvýšení koncentrace start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript iontů v roztoku. Podle druhé definice ale Arrheniovou zásadou nebude, protože jeho chemický vzorec neobsahuje hydroxid.

Acidobazické reakce: Arrheniova kyselina + Arrheniova zásada = voda + sůl

Když Arrheniova kyselina reaguje s Arrheniovou zásadou, tak většinou vznikne voda a sůl. Tyto reakce se někdy také nazývají neutralizační reakce. Například, co se stane pokud smícháme vodný roztok kyseliny fluorovodíkové start text, H, F, end text a hydroxid lithný start text, L, i, O, H, end text?

Pokud budeme uvažovat samostatný roztok kyseliny a samostatný roztok zásady, tak získáme následující:

Arrheniova kyselina zvyšuje koncentraci start color #1fab54, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, end color #1fab54, left parenthesis, a, q, right parenthesis

start color #1fab54, start text, H, end text, end color #1fab54, start text, F, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis, \rightleftharpoons, start color #1fab54, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, end color #1fab54, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start text, F, end text, start superscript, minus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis

Arrheniova zásada zvyšuje koncentraci start color #e84d39, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, end color #e84d39, left parenthesis, a, q, right parenthesis:

start text, L, i, end text, start color #e84d39, start text, O, H, end text, end color #e84d39, left parenthesis, a, q, right parenthesis, right arrow, start text, L, i, end text, start superscript, plus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start color #e84d39, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, end color #e84d39, left parenthesis, a, q, right parenthesis

Pokud se kyselina a zásada smíchají v roztoku, tak z reakce mezi vodíkovými a hydroxidovými ionty vznikne start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, zatímco z ostatních iontů se vytvoří sůl start text, L, i, F, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis:

\begin{aligned} \greenD{\text H^+}(aq)+\redD{\text{OH}^-}(aq) &\rightarrow \text{H}_2 \text O(l)\quad&&\text{Vznik vody} \\\\ \text{Li}^+(aq)+\text{F}^-(aq) &\rightarrow\text{LiF}(aq)&&\text{Vznik soli} \end{aligned}

Pokud přidáme reakce pro vznik vody a vznik soli, tak získáme celkovou neutralizační reakci mezi kyselinou fluorovodíkovou a hydroxidem lithným:

start color #1fab54, start text, H, end text, end color #1fab54, start text, F, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start text, L, i, end text, start color #e84d39, start text, O, H, end text, end color #e84d39, left parenthesis, a, q, right parenthesis, right arrow, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, left parenthesis, l, right parenthesis, plus, start text, L, i, F, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis

Omezení Arrheniovy definice

Arrheniova teorie má omezení v tom, že může popsat pouze acidobazické reakce ve vodném roztoku. Podobné reakce ale mohou proběhnout i v nevodných rozpouštědlech a také mezi molekulami v plynné fázi. Z tohoto důvodu chemici většinou upřednostňují Brønstedovu-Lowryho teorii, která se dá použít na širší škálu reakcí. Brønstedovou-Lowryho teorií kyselin a bází se budeme zabývat v samostatném článku!

Shrnutí

Arrheniova kyselina je jakákoliv látka, která zvyšuje koncentraci start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript ve vodném roztoku.
Arrheniova zásada je jakákoliv látka, která zvyšuje koncentraci start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript ve vodném roztoku.
Ve vodném roztoku reagují ionty start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript okamžitě s molekulami vody za tvorby hydroxoniových iontů start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript.
Při acidobazických nebo neutralizačních reakcích většinou reagují Arrheniova kyselina a zásada za vzniku vody a soli.

[Citace a odkazy]

Chceš se zapojit do diskuze?

Přihlášení

Setřídit podle:

Zatím žádné příspěvky.

Umíš anglicky? Kliknutím zobrazíš diskuzi anglické verze Khan Academy.