Fő tartalom

Brönsted savak és bázisok

Főbb pontok

Brönsted sav minden olyan anyag, amely hidrogénion – $H^{+}$ ‍ leadására képes.
Brönsted bázis minden olyan anyag, amely hidrogénion felvételére képes. A $H^{+}$ ‍-ion megkötéséhez nemkötő elektronpár szükséges.
A víz amfoter, ami azt jelenti, hogy Brönsted savként és Brönsted bázisként is viselkedhet.
Az erős savak és bázisok vizes oldatban teljes mértékben disszociálnak, míg a gyenge savak és bázisok disszociációja csak részleges.
A Brönsted sav konjugált bázisa az az anyag, amely úgy keletkezik, hogy a sav lead egy hidrogéniont. A Brönsted bázis konjugált sava az az anyag, amely úgy keletkezik, hogy a bázis felvesz egy hidrogéniont.
A konjugált sav-bázis párok molekulaképlete azonos, csak annyi a különbség, hogy a sav a konjugált bázishoz képest egy további $H^{+}$ ‍-t tartalmaz.

Bevezetés

Az Arrhenius-savakról és bázisokról szóló előző tananyagban megtanultuk, hogy Arrhenius-sav minden olyan anyag, amely vizes oldatban növeli a

H^{+}

-ionok koncentrációját, és Arrhenius-bázis minden olyan anyag, amely vizes oldatban növeli a

{OH}^{-}

-ionok koncentrációját. Az Arrhenius-féle elmélet fő korlátja az, hogy a sav-bázis tulajdonságok csak vízben értelmezhetőek. Ebben a leckében rátérünk az általánosabb Brönsted-Lowry elméletre, amely a reakciók szélesebb körére vonatkozik.

A Brönsted-Lowry-féle sav-bázis elmélet

A Brönsted-Lowry-féle elmélet a sav-bázis kölcsönhatásokat a kémiai részecskék közötti hidrogénion-átadásként írja le. Brönsted sav minden anyag, ami hidrogénion (

H^{+}

) leadására képes, és bázis minden anyag, amely hidrogénion felvételére képes. A molekulaszerkezet szempontjából ez azt jelenti, hogy minden Brönsted sav tartalmaz olyan hidrogént, amely

H^{+}

-ionként képes disszociálni. Ahhoz, hogy a Brönsted bázis felvehessen egy hidrogéniont, olyan nemkötő elektronpárnak kell benne lennie, amely a hidrogénionnal új kötést tud létesíteni.

A Brönsted-Lowry-féle sav-bázis elmélet alapján minden olyan reakció sav-bázis reakció, amelyben egy sav hidrogéniont ad át egy bázisnak. A Brönsted-Lowry-féle sav-bázis elmélet segítségével a sav-bázis reakciókat bármilyen oldószerben és gázfázisban is tudjuk értelmezni. Tekintsük például az ammóniagáz,

{NH}_{3} (g)

, hidrogén-klorid-gázzal,

H Cl (g)

, való reakcióját, amikor szilárd ammónium-klorid,

{NH}_{4} Cl (s z)

keletkezik:

${NH}_{3} (g) + H Cl (g) \to N H_{4} Cl (s z)$ ‍

Ez a reakció felírható a kiindulási anyagok és a termékek Lewis-szerkezetével is:

Ebben a reakcióban a

H Cl

átadja a – kék színnel jelölt – hidrogénjét az

{NH}_{3}

-nak. Ezért a

HCl

Brönsted savként viselkedik. Mivel az

{NH}_{3}

-nak van nemkötő elektronpárja, amellyel megköti a hidrogént, az

{NH}_{3}

Brönsted bázis.

Jegyezzük meg, hogy az Arrhenius-féle elmélet szerint a fenti reakció nem lenne sav-bázis reakció, mivel nem keletkezik vizes közegben sem

H^{+}

-, sem

{OH}^{-}

-ion. Ugyanakkor a reakció kémiai háttere – ahol a

HCl

és

{NH}_{3}

közötti hidrogénion-átadás eredményeként

{NH}_{4} Cl

keletkezik –, nagyon hasonló ahhoz, ami vizes közegben játszódna le.

Nézzünk meg néhány további példát, hogy jobban megérthessük ezeket a definíciókat.

A Brönsted savak és bázisok felismerése

A salétromsav és a víz közötti reakcióban a salétromsav (

{HNO}_{3}

) átadja a (kékkel jelölt) hidrogént a víznek, ezért Brönsted savként viselkedik.

$H {NO}_{3} (a q) + H_{2} O (f) \to H_{3} O^{+} (a q) + {NO}_{3}^{-} (a q)$ ‍

Mivel a víz felveszi a salétromsav hidrogénjét, amikor

H_{3} O^{+}

keletkezik, a víz Brönsted bázisként viselkedik. Ez a reakció nagymértékben a termékek képződésének kedvez, ezért a nyíl csak a jobb oldalra mutat.

Most nézzünk egy reakciót ammóniával (

{NH}_{3}

) vizes közegben:

${NH}_{3} (a q) + H_{2} O (f) ⇌ N H_{4}^{+} (a q) + {OH}^{-} (a q)$ ‍

Ebben a reakcióban a víz adja át az egyik hidrogénjét az ammóniának. A hidrogén leadása után a vízből hidroxidion (

{OH}^{-}

) lesz. Mivel ebben a reakcióban a víz hidrogénion-donor, Brönsted savként viselkedik. Az ammónia átveszi a víz hidrogénjét, ekkor ammóniumion (

{NH}_{4}^{+}

) keletkezik. Ezért az ammónia Brönsted bázisként viselkedik.

Az előző két reakcióban láttuk, hogy a víz Brönsted bázisként – a salétromsavval reagálva – és Brönsted savként – ammóniával reagálva – is viselkedhet. Mivel hidrogénion felvételére és leadására is képes, a víz amfoter vegyület, ami azt jelenti, hogy Brönsted savként és Brönsted bázisként is viselkedhet.

[Honnan ered az amfoter szó?]

Erős és gyenge savak: disszociálni vagy nem disszociálni?

Erős savak azok az anyagok, amelyek vizes oldatban teljes mértékben alkotó ionjaikra disszociálnak. Például a salétromsav erős sav. Vízben teljes mértékben oxóniumionra (

H_{3} O^{+}

) és nitrátionra (

{NO}_{3}^{-}

) disszociál. A reakció lejátszódása után nincs disszociálatlan

{HNO}_{3}

-molekula az oldatban.

Ezzel szemben a gyenge savak nem disszociálnak teljes mértékben az alkotóionjaikra. Az ecetben levő ecetsav (

{CH}_{3} COOH

) például gyenge sav. Az ecetsav vízben részlegesen disszociál oxóniumionra és acetátionra (

{CH}_{3} {COO}^{-}

${CH}_{3} COOH (a q) + H_{2} O (f) ⇌ H_{3} O^{+} (a q) + {CH}_{3} {COO}^{-} (a q)$ ‍

Figyeld meg, hogy ebben a reakcióban a nyilak mindkét irányba mutatnak:

⇋

. Ez arra utal, hogy az ecetsav disszociációja dinamikus egyensúly, ahol az ecetsavmolekulák nagy koncentrációban semleges

{CH}_{3} COOH

-molekulaként, illetve disszociált formában,

H^{+}

- és

{CH}_{3} {COO}^{-}

-ionokként is jelen vannak.

Balra: egy erős sav vizes oldata, jobbra: egy gyenge sav vizes oldata. A hidrogén-klorid erős sav, amely vízben teljes mértékben disszociál (a). A hidrogén-fluorid gyenge sav, amely részlegesen disszociál hidrogén- és fluoridionokra (b).

Szokványos kérdés: – Honnan tudod, hogy valami erős vagy gyenge sav? – Kiváló kérdés! A rövid válasz, hogy csak néhány erős sav van, minden mást gyenge savnak tekintünk. Ha tisztában vagyunk vele, hogy melyek a közismert erős savak, a kémia feladatokban könnyen azonosíthatjuk a gyenge és az erős savakat is.

A következő táblázatban látható néhány példa a közismert erős savakra.

Közismert erős savak

Név	Képlet
Hidrogén-klorid	$HCl$ ‍
Hidrogén-bromid	$HBr$ ‍
Hidrogén-jodid	$HI$ ‍
Kénsav	$H_{2} {SO}_{4}$ ‍
Salétromsav	${HNO}_{3}$ ‍
Perklórsav	${HClO}_{4}$ ‍

Erős és gyenge bázisok

Az erős bázisok olyan anyagok, amelyek vizes oldatban teljes mértékben disszociálnak. Erős bázis például a nátrium-hidroxid (

NaOH

). Vízben a nátrium-hidroxid teljes mértékben nátrium- és hidroxidionokra disszociál:

$NaOH (a q) \to {Na}^{+} (a q) + {OH}^{-} (a q)$ ‍

Így ha nátrium-hidroxid oldatot készítünk, csak

{Na}^{+}

- és

{OH}^{-}

-ionok lesznek a kész vizes oldatban. Nem valószínű, hogy disszociálatlan

NaOH

lesz az oldatban.

Vizsgáljuk meg az ammóniát (

{NH}_{3}

) vízben. Az ammónia gyenge bázis, tehát vízben részlegesen disszociál:

${NH}_{3} (a q) + H_{2} O (f) ⇌ {NH}_{4}^{+} (a q) + {OH}^{-} (a q)$ ‍

Az ammóniamolekulák egy része protont vesz fel a víztől, így ammónium- és hidroxidionok keletkeznek. Dinamikus egyensúly jön létre, amelyben az ammóniamolekulák folyamatosan protont cserélnek a vízzel, és az ammóniumionok visszaadják a protonokat a hidroxidnak. A fő részecske az oldatban a disszociálatlan ammónia (

{NH}_{3}

), mert az ammónia csak kis mértékben deprotonálja a vízmolekulákat.

Közismert erős bázisok az 1. és 2. főcsoportbeli elemek hidroxidjai.

[Hogy lehet egy oldhatatlan vegyület erős bázis?]

Közismert gyenge bázisok a nitrogéntartalmú vegyületek, mint például az ammónia, trimetilamin és piridin.

1. példa: Sav-bázis reakció felírása hidrogén-foszfáttal

A hidrogénfoszfát (

{HPO}_{4}^{2 -}

) gyenge bázisként vagy gyenge savként is viselkedhet vizes oldatban.

Mi a rendezett egyenlete annak a reakciónak, amikor a hidrogénfoszfát vizes közegben gyenge savként reagál?

Mivel a hidrogénfoszfát Brönsted bázisként viselkedik, a víznek Brönsted savként kell viselkednie. Ez azt jelenti, hogy a víz protont ad át, így hidroxid keletkezik. A hidrogénfoszfát protonfelvétele

H_{2} {PO}_{4}^{-}

képződését eredményezi:

${HPO}_{4}^{2 -} (a q) + H^{+} (a q) \to H_{2} {PO}_{4}^{-} (a q)$ ‍

Mivel a hidrogénfoszfát gyenge bázisként szerepel ebben a példában, szükség van az egyensúlyi jelre (

⇌

), ami azt mutatja, hogy a reakció reverzibilis. Így a következő rendezett egyenletet kapjuk arra a reakcióra, amikor is a hidrogénfoszfát gyenge bázisként viselkedik vizes közegben:

${HPO}_{4}^{2 -} (a q) + H_{2} O (f) ⇌ H_{2} {PO}_{4}^{-} (a q) + {OH}^{-} (a q)$ ‍

Honnan tudjuk, hogy egy olyan anyag, mint a hidrogénfoszfát savként vagy bázisként fog-e viselkedni? A rövid válasz az az, hogy ha különböző reakciók lehetségesek, akkor a különböző egyensúlyi reakcióknak az egyensúlyi állandói is különböznek. Az, hogy melyik egyensúly lesz a kedvezményezett, olyan tényezőkön múlik, mint az oldat pH-ja, és hogy milyen egyéb részecskék vannak az oldatban. Ezzel a kérdéssel részletesebben foglalkozunk majd, amikor a pufferekről és a titrálásról tanulunk.

Fogalom-ellenőrzés: mi lenne a rendezett egyenlet abban az esetben, ha a hidrogénfoszfát gyenge savként viselkedne vizes oldatban?

[Válasz megjelenítése.]

Konjugált sav-bázis párok

Most, hogy már tisztában vagyunk a Brönsted savakkal és bázisokkal, rátérhetünk a lecke utolsó fogalmára: a konjugált sav-bázis párokra. Egy Brönsted-féle sav-bázis reakcióban a konjugált sav az az anyag, amely úgy keletkezik, hogy a bázis felveszi a protont. Ezzel szemben a konjugált bázis az az anyag, amely úgy keletkezik, hogy a sav átadja a protonját. A konjugált sav-bázis pároknak ugyanaz a képletük, azzal az eltéréssel, hogy a sav egy további

H^{+}

-iont tartalmaz a konjugált bázishoz képest.

2. példa: Erős sav disszociációja

Nézzük meg az erős sav

HCl

reakcióját vízzel:

$HCl (a q) + H_{2} O (f) \to H_{3} O^{+} (a q) + {Cl}^{-} (a q)$ ‍

sav bázis sav bázis

Ebben a reakcióban a

HCl

átad egy hidrogéniont a víznek; ezért a

HCl

Brönsted sav. Miután a

HCl

leadta a hidrogéniont,

{Cl}^{-}

-ion keletkezik, így a

{Cl}^{-}

HCl

konjugált bázisa.

$1. konjugált pár = HCl és {Cl}^{-}$ ‍

Mivel a víz hidrogéniont vesz fel a

HCl

-tól, a víz Brönsted bázis. Amikor a víz felveszi a hidrogéniont,

H_{3} O^{+}

keletkezik. Ezért a

H_{3} O^{+}

H_{2} O

konjugált sava.

$2. konjugált pár = H_{2} O és H_{3} O^{+}$ ‍

A reakcióban minkét konjugált sav-bázis pár tartalmaz egy Brönsted savat és egy Brönsted bázist, a sav és a bázis egyetlen hidrogénionban különböznek. Általánosságban is igaz, hogy egy Brönsted sav és bázis reakciójában két konjugált sav-bázis pár szerepel.

3. példa: gyenge bázis reakciója vízzel

Nézzük meg a gyenge bázis ammónia reakcióját vízzel:

${NH}_{3} (a q) + H_{2} O (f) ⇌ {NH}_{4}^{+} (a q) + {OH}^{-} (a q)$ ‍

bázis sav sav bázis

Az ammónia ebben a reakcióban hidrogéniont vesz fel a víztől, ezért Brönsted bázisként viselkedik. Az ammóniából – miután felvette a víztől a hidrogéniont –

{NH}_{4}^{+}

keletkezik. Ezért az

{NH}_{4}^{+}

az ammónia konjugált sava.

$1. konjugált pár = {NH}_{3} és {NH}_{4}^{+}$ ‍

A víz hidrogéniont ad át az ammóniának, ezért Brönsted sav. Miután a víz átad egy hidrogéniont az ammóniának,

{OH}^{-}

keletkezik. Ezért a

{OH}^{-}

a víz konjugált bázisa.

$2. konjugált pár = H_{2} O és {OH}^{-}$ ‍

Mivel az ammónia gyenge bázis, az ammóniumion vissza tudja adni a hidrogéniont a hidroxidionnak, így újraképződik az ammónia és a víz. Ennélfogva dinamikus egyensúly áll fenn. Ez mindig igaz az olyan reakciókra, amelyekben gyenge savak és bázisok szerepelnek.

Összefoglalás

Brönsted sav minden olyan részecske, mely hidrogénion— $H^{+}$ ‍ felvételére képes.
Brönsted bázis minden olyan anyag, amely hidrogénion felvételére képes. A $H^{+}$ ‍ megkötéséhez nemkötő elektronpár szükséges.
A víz amfoter, ami azt jelenti, hogy Brönsted savként és Brönsted bázisként is viselkedhet.
Az erős savak és bázisok vizes oldatban teljes mértékben disszociálnak, míg a gyenge savak és bázisok disszociációja csak részleges.
A Brönsted sav konjugált bázisa az az anyag, amely úgy keletkezik, hogy a sav lead egy hidrogéniont. A Brönsted bázis konjugált sava az az anyag, amely úgy keletkezik, hogy a bázis felvesz egy hidrogéniont.
A konjugált sav-bázis párok molekulaképlete azonos, csak annyi a különbség, hogy a sav a konjugált bázishoz képest egy további $H^{+}$ ‍-t tartalmaz.