Fő tartalom

Arrhenius savak és bázisok

Az Arrhenius savak és bázisok definíciója és az Arrhenius-féle sav-bázis reakciók.

Főbb pontok

Az Arrhenius savak olyan anyagok, amelyek vizes oldatban megnövelik a start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript-ionok koncentrációját.
Az Arrhenius bázisok olyan anyagok, amelyek vizes oldatban megnövelik a start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript-ionok koncentrációját.
Vizes oldatban a start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript-ionok azonnal reagálnak a vízmolekulákkal, ily módon oxóniumiont left parenthesis, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript, right parenthesis képezve.
A sav-bázis vagy közömbösítési reakciók során az Arrhenius savak és bázisok víz- és sóképződés közben reagálnak egymással.

Bevezetés

A konyhában megtalálható ecettől kezdve a fürdőszobában fellelhető szappanig, a savak és bázisok mindenütt jelen vannak. De mit jelent az, hogy valami savas vagy bázikus? Ahhoz, hogy megválaszolhassuk ezt a kérdést, meg kell vizsgálnunk néhány sav-bázis elméletet. Ebben a leckében az Arrhenius-féle elmélettel foglalkozunk.

Arrhenius savak

Az Arrhennius-féle sav-bázis elméletet 1884-ben Svante Arrhenius svéd kémikus vezette be. Azt javasolta, hogy egyes vegyületeket tekintsék savnak vagy bázisnak, attól függően, hogy a vízben való oldásukkor milyen ionok keletkeznek.

Arrhenius sav minden olyan vegyület, amely vizes oldatban megnöveli a start color #1fab54, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, end color #1fab54-ionok – vagy protonok – koncentrációját. Vegyük például a hidrogén-klorid (start text, H, C, l, end text) disszociációját vízben:

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

Amikor hidrogén-kloridból (start color #1fab54, start text, H, end text, end color #1fab54, start text, C, l, end text) vizes oldatot készítünk, start color #1fab54, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, end color #1fab54- és start text, C, l, end text, start superscript, minus, end superscript-ionokra disszociál. Mivel ennek eredményeként megnő az oldatban a start color #1fab54, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, end color #1fab54-ionok koncentrációja, a hidrogén-klorid Arrhenius sav.

Hidrogén- vagy oxóniumionok?

Tételezzük fel, hogy hidrogén-bromidból (start text, H, B, r, end text), amely Arrhenius sav, 2, M koncentrációjú vizes oldatot készítettünk. Ez azt jelenti-e, hogy az oldatban a start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript-ionok koncentrációja 2, M?

Nem. A pozitív töltésű hidrogénionok a környező vízmolekulákkal reagálva oxóniumiont left parenthesis, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript, right parenthesis képeznek. Ez a reakció a következőképpen írható fel:

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, f, 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

Bár gyakran úgy írjuk fel a savak disszociációját, hogy start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis-ionok keletkeznek, nincsenek szabadon úszkáló start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript-ionok a vizes oldatokban. Ehelyett elsősorban start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript-ionok vannak, amelyek egyből létrejönnek, amikor a sav a vízben disszociál. A következő képen molekulamodell segítségével szemléltetjük az oxóniumion vízből és hidrogénionból történő képződését:

Amikor egy sav start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript-ionok, azaz protonok képződése közben disszociál, a start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript-ionok azonnal reagálnak a vízmolekulákkal, ily módon start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript-iont képezve. Ezért a kémikusok a hidrogénion- és oxóniumion-koncentrációt egymással egyenértékűnek tekintik. Kép forrása: UC Davis Chemwiki, CC BY-NC-SA 3.0 US

A gyakorlatban a legtöbb kémikus egymás szinonimájaként használja a start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript- és a start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript-koncentrációt. Ha precízebbek szeretnénk lenni – és kevésbé lusták –, akkor felírhatjuk a hidrogén-bromid disszociációját úgy, hogy egyértelműen látsszon, oxóniumion keletkezik, nem pedig hidrogénion:

\begin{aligned}\text{HBr}(aq)+\text{H}_2\text{O}(f) &\rightarrow\text{H}_3\text{O}^+(aq)+\text{Br}^-(aq)~~~~~~~~{\text{Precízebb felírás}}\\ \\ &\text{ezzel szemben} \\ \\ \text{HBr}(aq) &\rightarrow\text{H}^+(aq)+\text{Br}^-(aq)~~~~\text{Rövidebb és könnyebb így írni!}\end{aligned}

Általában mindkét felírásmód elfogadott az Arrhenius savak disszociációjának megadására.

Arrhenius bázisok

Arrhenius bázis minden olyan vegyület, amely vizes oldatban megnöveli a hidroxidionok left parenthesis, start color #e84d39, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, end color #e84d39, right parenthesis koncentrációját. Arrhenius bázis például a jól oldódó nátrium-hidroxid left parenthesis, start text, N, a, O, H, end text, right parenthesis. A nátrium-hidroxid vízben oldva a következőképpen disszociál:

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

Vízben a nátrium-hidroxid teljes mértékben start color #e84d39, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, end color #e84d39- és start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript-ionokra disszociál, aminek eredményeként megnő a hidroxidionok koncentrációja. Ezért a start text, N, a, O, H, end text Arrhenius bázis. Közismert Arrhenius bázisok az 1. és 2. főcsoportbeli elemek hidroxidjai, például a start text, L, i, O, H, end text és a start text, B, a, left parenthesis, O, H, right parenthesis, end text, start subscript, 2, end subscript.

[Várj csak, nem oldhatatlan a legtöbb fém-hidroxid?]

Ne feledd, hogy attól függően, hányadik osztályba jársz – vagy milyen tankönyved, tanárod van – a hidroxidiont nem tartalmazó bázisokat vagy Arrhenius bázisnak tekintik, vagy nem. Vannak olyan tankönyvek, melyek szigorúbban definiálják az Arrhenius bázisokat: olyan anyagok, amelyek vizes oldatban megnövelik a start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript-ionok koncentrációját, és képletükben legalább egy start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript-egység található. Noha ez nem befolyásolja az 1. és 2. főcsoportbeli elemek hidroxidjainak besorolását, olyan vegyületek esetén viszont nem egyértelmű, mint például a metil-amin left parenthesis, start text, C, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, N, H, end text, start subscript, 2, end subscript, right parenthesis.

A metil-amin vízben való oldásakor a következő reakció játszódik le:

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, f, 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

Az első definíció alapján a metil-amin Arrhenius bázis lenne, mert a start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript-ionok koncentrációja növekszik az oldatban. A második definíció szerint azonban nem tartozna az Arrhenius bázisok közé, mivel a képletében nem található hidroxid.

Sav-bázis reakciók: Arrhenius sav + Arrhenius bázis = víz + só

Ha Arrhenius sav Arrhenius bázissal reagál, általában víz és só keletkezik. Ezeket a reakciókat néha közömbösítési reakcióknak is nevezik. Mi történik például, ha hidrogén-fluorid (start text, H, F, end text) és lítium-hidroxid (start text, L, i, O, H, end text) vizes oldatát összeöntjük?

Ha a sav és a bázis oldatát külön-külön vesszük figyelembe, akkor a következőket tudjuk:

Az Arrhenius savak növelik a start color #1fab54, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, end color #1fab54, left parenthesis, a, q, right parenthesis-ionok koncentrációját.

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

Az Arrhenius bázisok növelik a start color #e84d39, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, end color #e84d39, left parenthesis, a, q, right parenthesis-ionok koncentrációját:

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

Ha a sav és a bázis reagál reagál egymással az oldatban, akkor a hidrogén- és a hidroxidionok közötti reakcióban start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text képződik, míg a többi ion a start text, L, i, F, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis sót hozza létre:

\begin{aligned} \greenD{\text H^+}(aq)+\redD{\text{OH}^-}(aq) &\rightarrow \text{H}_2 \text O(f)\quad&&\text{vízképződés} \\\\ \text{Li}^+(aq)+\text{F}^-(aq) &\rightarrow\text{LiF}(aq)&&\text{sóképződés} \end{aligned}

Ha a vízképződés és a sóképződés reakcióegyenletét összeadjuk, akkor megkapjuk a hidrogén-fluorid és a lítium-hidroxid közötti teljes közömbösítési egyenletet:

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, f, right parenthesis, plus, start text, L, i, F, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis

Az Arrhenius-féle elmélet korlátjai

Az Arrhenius-féle elméletet behatárolja, hogy a sav-bázis folyamatokat csak vizes oldatban tudja leírni. Hasonló reakciók játszódhatnak le azonban nemvizes oldószerekben, valamint gázfázisban levő molekulák között is. Ennek eredményeként napjaink kémikusai általában jobban kedvelik a Brönsted-Lowry-féle elméletet, amely a kémiai reakciók szélesebb tartományában használható. A Brönsted-Lowry-féle sav-bázis elméletet külön tananyagban fogjuk tárgyalni.

Összefoglalás

Az Arrhenius savak olyan anyagok, amelyek vizes oldatban megnövelik a start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript-ionok koncentrációját.
Az Arrhenius bázisok olyan anyagok, amelyek vizes oldatban megnövelik a start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript-ionok koncentrációját.
Vizes oldatban a start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript-ionok azonnal reagálnak a vízmolekulákkal, ily módon oxóniumiont left parenthesis, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript, right parenthesis képezve.
A sav-bázis vagy közömbösítési reakciók során az Arrhenius savak és bázisok általában víz- és sóképződés közben reagálnak egymással.