Fő tartalom
Kémia
Tantárgy/kurzus: Kémia > 7. témakör
1. lecke: Savak, bázisok, pH- Arrhenius savak és bázisok
- Arrhenius savak és bázisok
- A pH, a pOH és a pH-skála
- Brönsted savak és bázisok
- Brönsted savak és bázisok
- A víz öndisszociációja
- A víz öndisszociációja és a Kᵥ
- A pH definíciója
- Erős savak
- Erős bázisok
- Kötéserősség, anionok mérete, kötési energia
- A gyenge savak és erős savak felismerése
- A gyenge bázisok és erős bázisok felismerése
- Ismerkedés a sav-bázis reakciókkal
© 2023 Khan AcademyFelhasználási feltételekAdatkezelési tájékoztatóSüti figyelmeztetés
Brönsted savak és bázisok
Főbb pontok
- Brönsted sav minden olyan anyag, amely hidrogénion – start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript leadására képes.
- Brönsted bázis minden olyan anyag, amely hidrogénion felvételére képes. A start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript-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 start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript-t tartalmaz.
Bevezetés
Az Arrhenius-savakról és bázisokról szóló előző tananyagban megtanultuk, hogy Arrhenius-sav minden olyan anyag, amely vizes oldatban növeli a start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript-ionok koncentrációját, és Arrhenius-bázis minden olyan anyag, amely vizes oldatban növeli a start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript-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 (start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript) leadására képes, és bázis minden anyag, amely hidrogénion felvételére képes. A molekulaszerkezet szempontjából ez azt jelenti, hogy minden Brönsted sav tartalmaz olyan hidrogént, amely start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript-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, start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript, left parenthesis, g, right parenthesis, hidrogén-klorid-gázzal, start text, H, end text, start text, C, l, end text, left parenthesis, g, right parenthesis, való reakcióját, amikor szilárd ammónium-klorid, start text, N, H, end text, start subscript, 4, end subscript, start text, C, l, end text, left parenthesis, s, z, right parenthesis keletkezik:
Ez a reakció felírható a kiindulási anyagok és a termékek Lewis-szerkezetével is:
Ebben a reakcióban a start color #11accd, start text, H, end text, end color #11accd, start text, C, l, end text átadja a – kék színnel jelölt – hidrogénjét az start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript-nak. Ezért a start text, H, C, l, end text Brönsted savként viselkedik. Mivel az start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript-nak van nemkötő elektronpárja, amellyel megköti a hidrogént, az start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript Brönsted bázis.
Jegyezzük meg, hogy az Arrhenius-féle elmélet szerint a fenti reakció nem lenne sav-bázis reakció, mivel nem keletkezik vizes közegben sem start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript-, sem start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript-ion. Ugyanakkor a reakció kémiai háttere – ahol a start text, H, C, l, end text és start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript közötti hidrogénion-átadás eredményeként start text, N, H, end text, start subscript, 4, end subscript, start text, C, l, end text 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 (start text, H, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript) átadja a (kékkel jelölt) hidrogént a víznek, ezért Brönsted savként viselkedik.
Mivel a víz felveszi a salétromsav hidrogénjét, amikor 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 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 (start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript) vizes közegben:
Ebben a reakcióban a víz adja át az egyik hidrogénjét az ammóniának. A hidrogén leadása után a vízből hidroxidion (start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript) lesz. Mivel ebben a reakcióban a víz hidrogénion-donor, Brönsted savként viselkedik. Az ammónia átveszi a víz hidrogénjét, ekkor ammóniumion (start text, N, H, end text, start subscript, 4, end subscript, start superscript, plus, end superscript) 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.
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 (start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript) és nitrátionra (start text, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript, start superscript, minus, end superscript) disszociál. A reakció lejátszódása után nincs disszociálatlan start text, H, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript-molekula az oldatban.
Ezzel szemben a gyenge savak nem disszociálnak teljes mértékben az alkotóionjaikra. Az ecetben levő ecetsav (start text, C, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, C, O, O, H, end text) például gyenge sav. Az ecetsav vízben részlegesen disszociál oxóniumionra és acetátionra (start text, C, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, C, O, O, end text, start superscript, minus, end superscript):
Figyeld meg, hogy ebben a reakcióban a nyilak mindkét irányba mutatnak: \leftrightharpoons. Ez arra utal, hogy az ecetsav disszociációja dinamikus egyensúly, ahol az ecetsavmolekulák nagy koncentrációban semleges start text, C, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, C, O, O, H, end text-molekulaként, illetve disszociált formában, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript- és start text, C, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, C, O, O, end text, start superscript, minus, end superscript-ionokként is jelen vannak.
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 | start text, H, C, l, end text |
| Hidrogén-bromid | start text, H, B, r, end text |
| Hidrogén-jodid | start text, H, I, end text |
| Kénsav | start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, S, O, end text, start subscript, 4, end subscript |
| Salétromsav | start text, H, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript |
| Perklórsav | start text, H, C, l, O, end text, start subscript, 4, end subscript |
Erős és gyenge bázisok
Az erős bázisok olyan anyagok, amelyek vizes oldatban teljes mértékben disszociálnak. Erős bázis például a nátrium-hidroxid (start text, N, a, O, H, end text). Vízben a nátrium-hidroxid teljes mértékben nátrium- és hidroxidionokra disszociál:
Így ha nátrium-hidroxid oldatot készítünk, csak start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript- és start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript-ionok lesznek a kész vizes oldatban. Nem valószínű, hogy disszociálatlan start text, N, a, O, H, end text lesz az oldatban.
Vizsgáljuk meg az ammóniát (start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript) vízben. Az ammónia gyenge bázis, tehát vízben részlegesen disszociál:
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 (start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript), mert az ammónia csak kis mértékben deprotonálja a vízmolekulákat.
Közismert erős bázisok az 1. és 2. főcsoportbeli elemek hidroxidjai.
Közismert gyenge bázisok a nitrogéntartalmú vegyületek, mint például az ammónia, trimetilamin és piridin.
1. példa: Sav-bázis reakció felírása hidrogén-foszfáttal
A hidrogénfoszfát (start text, H, P, O, end text, start subscript, 4, end subscript, start superscript, 2, minus, end superscript) 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 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 képződését eredményezi:
Mivel a hidrogénfoszfát gyenge bázisként szerepel ebben a példában, szükség van az egyensúlyi jelre (\rightleftharpoons), 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:
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?
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 start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript-iont tartalmaz a konjugált bázishoz képest.
2. példa: Erős sav disszociációja
Nézzük meg az erős sav start text, H, C, l, end text reakcióját vízzel:
Ebben a reakcióban a start text, H, C, l, end text átad egy hidrogéniont a víznek; ezért a start text, H, C, l, end text Brönsted sav. Miután a start text, H, C, l, end text leadta a hidrogéniont, start text, C, l, end text, start superscript, minus, end superscript-ion keletkezik, így a start text, C, l, end text, start superscript, minus, end superscript a start text, H, C, l, end text konjugált bázisa.
Mivel a víz hidrogéniont vesz fel a start text, H, C, l, end text-tól, a víz Brönsted bázis. Amikor a víz felveszi a hidrogéniont, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript keletkezik. Ezért a start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript a start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text konjugált sava.
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:
Az ammónia ebben a reakcióban hidrogéniont vesz fel a víztől, ezért Brönsted bázisként viselkedik. Az ammóniából – miután felvette a víztől a hidrogéniont – start text, N, H, end text, start subscript, 4, end subscript, start superscript, plus, end superscript keletkezik. Ezért az start text, N, H, end text, start subscript, 4, end subscript, start superscript, plus, end superscript az ammónia konjugált sava.
A víz hidrogéniont ad át az ammóniának, ezért Brönsted sav. Miután a víz átad egy hidrogéniont az ammóniának, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript keletkezik. Ezért a start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript a víz konjugált bázisa.
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—start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript felvételére képes.
- Brönsted bázis minden olyan anyag, amely hidrogénion felvételére képes. A start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript 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 start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript-t tartalmaz.
1. feladat: Sav-bázis reakciók felismerése
A Brönsted-Lowry-féle elmélet alapján az alábbiak közül melyek sav-bázis reakciók?
2. feladat: Konjugált sav-bázis párok felismerése
A hidrogén-fluorid (start text, H, F, end text) gyenge sav, amely vízben a következő egyenletnek megfelelően disszociál:
Ebben a reakcióban mi a start text, H, F, end text konjugált bázisa?
Szeretnél részt venni a beszélgetésben?
Még nincs hozzászólás.