Hlavní obsah
Fyzikální chemie
Kurz: Fyzikální chemie > Kapitola 7
Lekce 1: Kyseliny, zásady a pH- Arrheniova teorie kyselin a zásad
- Brønstedova-Lowryho teorie kyselin a zásad
- Brønstedova-Lowryho teorie kyselin a zásad
- Autoprotolýza vody a Kw
- Silné kyseliny a silné báze
- Úvod do acidobazických reakcí
- Souvislost mezi silou kyselin a zásad a pH
- pH, pOH a stupnice pH
- pH a pOH silných kyselin a zásad
- pH kyselin a zásad – shrnutí
Brønstedova-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 start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript.
- Brønstedova-Lowryho zásada je jakákoliv látka schopná proton přijmout, což vyžaduje volný elektronový pár, na který se start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript 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 start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript.
Úvod
V předchozím článku o Arrheniových kyselinách a zásadách, jsme se dozvěděli, že Arrheniovou kyselinou je jakákoliv látka, která ve vodném roztoku zvyšuje koncentraci start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, a Arrheniovou zásadou je jakákoliv látka, která ve vodném roztoku zvyšuje koncentraci start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript. 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 start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, 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 start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript. 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 start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript, left parenthesis, g, right parenthesis s plynnou kyselinou chlorovodíkovou start text, H, end text, start text, C, l, end text, left parenthesis, g, right parenthesis za vzniku pevného chloridu amonného start text, N, H, end text, start subscript, 4, end subscript, start text, C, l, end text, left parenthesis, s, right parenthesis:
Reaktanty a produkty této rovnice také můžeme znázornit pomocí strukturních elektronových (Lewisových) vzorců:
V této reakci daruje start color #11accd, start text, H, end text, end color #11accd, start text, C, l, end text svůj proton—znázorněný modře—start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript. Z tohoto důvodu má start text, H, C, l, end text roli Brønstedovy-Lowryho kyseliny. Jelikož má start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript volný elektronový pár, tak je to start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript Brønstedova-Lowryho zásada.
Všimni si, že výše uvedená reakce by podle Arrheniovy teorie nebyla acidobazickou reakcí, protože žádná zúčastněná látka ve vodě netvoří start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript nebo start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript. Nicméně obsažená chemická změna minuspřenos protonu z start text, H, C, l, end text k start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript za vytvoření start text, N, H, end text, start subscript, 4, end subscript, start text, C, l, end textminus 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 start text, H, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript proton—zobrazený modře—vodě, takže se zachová jako Brønstedova-Lowryho kyselina.
Jelikož voda přijme od kyseliny dusičné proton start color #11accd, start text, H, end text, end color #11accd, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript, 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 start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript ve vodě:
V této reakci daruje voda jeden ze svých protonů amoniaku. Po ztrátě protonu se z vody stane hydroxid start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript. 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 start text, N, H, end text, start subscript, 4, end subscript, start superscript, plus, end superscript. 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 start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript a dusičnanový anion start text, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript, start superscript, minus, end superscript. Po proběhnutí reakce nejsou v roztoku žádné molekuly start text, H, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript.
Naopak slabá kyselina ve vodném roztoku plně nedisociuje na ionty svých složek. Příkladem slabé kyseliny je kyselina octová start text, C, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, C, O, O, H, end text, která je přítomna v octu. Kyselina octová ve vodě částečně disociuje za vzniku hydroxoniového kationtu a octanového aniontu start text, C, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, C, O, O, end text, start superscript, minus, end superscript:
Všimni si, že v této reakci máme reakční šipky směřující do obou směrů: \leftrightharpoons. 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 start text, C, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, C, O, O, H, end text stejně jako ve formě disociovaných iontů start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript a start text, C, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, C, O, O, end text, start superscript, minus, end superscript.
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 | start text, H, C, l, end text |
| Kyselina bromovodíková | start text, H, B, r, end text |
| Kyselina jodovodíková | start text, H, I, end text |
| Kyselina sírová | start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, S, O, end text, start subscript, 4, end subscript |
| Kyselina dusičná | start text, H, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript |
| Kyselina chloristá | start text, H, C, l, O, end text, start subscript, 4, end subscript |
Silné a slabé zásady
Silná zásada je zásada, která ve vodném roztoku plně ionizuje. Příkladem silné zásady je hydroxid sodný start text, N, a, O, H, end text. 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 start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript a start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript. Nepředpokládáme, že by v roztoku byly nedisociované molekuly start text, N, a, O, H, end text.
Teď se podívejme na roztok start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript 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 start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript, 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 start text, H, P, O, end text, start subscript, 4, end subscript, start superscript, 2, minus, end superscript 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 start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, P, O, end text, start subscript, 4, end subscript, start superscript, minus, end superscript:
Jelikož se v tomto případě hydrogenforsforečnan chová jako slabá zásada, tak v celkové reakci použijeme rovnovážné šipky \rightleftharpoons, 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 start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript.
Příklad 2: Disociace silné kyseliny
Uvažujme reakci silné kyseliny start text, H, C, l, end text s vodou:
V této reakci daruje start text, H, C, l, end text proton vodě; tudíž start text, H, C, l, end text se chová jako Brønstedova-Lowryho kyselina. Poté, co start text, H, C, l, end text daruje svůj proton, dojde ke vzniku aniontu start text, C, l, end text, start superscript, minus, end superscript; tudíž, start text, C, l, end text, start superscript, minus, end superscript je konjugovanou bází start text, H, C, l, end text.
Protože voda přijme od start text, H, C, l, end text proton, tak se chová jako Brønstedova-Lowryho zásada. Když voda přijme proton, tak se vytvoří start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript. Tudíž start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript je konjugovaná kyselina start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text.
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 start text, N, H, end text, start subscript, 4, end subscript, start superscript, plus, end superscript. Tudíž start text, N, H, end text, start subscript, 4, end subscript, start superscript, plus, end superscript je konjugovanou kyselinou amoniaku.
Voda daruje proton amoniaku, a tudíž se chová jako Brønstedova-Lowryho kyselina. Darováním protonu amoniaku vznikne z vody start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript. start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript 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 start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript.
- Brønstedova-Lowryho zásada je jakákoliv látka schopná proton přijmout, což vyžaduje volný elektronový pár k navázání start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript.
- 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 start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript.
Cvičení 1: Rozpoznání acidobazické reakce
Která z následující reakcí je podle Brønstedovy-Lowryho teorie acidobazická?
Cvičení 2: Určování konjugovaných párů kyselina-zásada
Kyselina fluorovodíková start text, H, F, end text, která ve vodě disociuje podle následující rovnice:
Co je v následující reakci konjugovanou zásadou k start text, H, F, end text?
Chceš se zapojit do diskuze?
Zatím žádné příspěvky.