Теория Бренстеда – Лоури (также называемая протонной теорией кислот и оснований [1] ) представляет собой теорию кислотно-основной реакции, которая была независимо предложена Йоханнесом Николаусом Бренстедом и Томасом Мартином Лоури в 1923 году. [2] [3] Фундаментальная концепция теории кислотности. эта теория состоит в том, что когда кислота и основание взаимодействуют друг с другом, кислота образует сопряженное основание , а основание образует сопряженную кислоту путем обмена протона (катион водорода или H + ). Эта теория является обобщением теории Аррениуса .
Определения кислот и оснований
В теории Аррениуса кислоты определяются как вещества, которые диссоциируют в водном растворе с образованием H + (ионы водорода), в то время как основания определяются как вещества, которые диссоциируют в водном растворе с образованием OH - (гидроксид-ионы). [4]
В 1923 году физико-химики Йоханнес Николаус Бронстед в Дании и Томас Мартин Лоури в Англии независимо друг от друга предложили теорию, носящую их имена. [5] [6] [7] В теории Бренстеда-Лоури кислоты и основания определяются по способу их взаимодействия друг с другом, что позволяет сделать их более универсальными. Определение выражается в терминах равновесного выражения
С кислотой HA уравнение можно символически записать как:
Знак равновесия ⇌ используется потому, что реакция может происходить как в прямом, так и в обратном направлении. Кислота HA может потерять протон и превратиться в сопряженное с ней основание A - . Основание, B, может принять протон, чтобы стать его сопряженной кислотой, HB + . Большинство кислотно-основных реакций протекают быстро, поэтому компоненты реакции обычно находятся в динамическом равновесии друг с другом. [8]
Водные растворы
Рассмотрим следующую кислотно-щелочную реакцию:
Уксусная кислота , CH 3 COOH, является кислотой, потому что она отдает протон воде (H 2 O) и становится ее сопряженным основанием, ацетат- ионом (CH 3 COO - ). H 2 O является основанием, потому что он принимает протон от CH 3 COOH и становится его сопряженной кислотой, ионом гидроксония (H 3 O + ). [9]
Обратной реакцией кислотно-основной реакции также является кислотно-основная реакция между сопряженной кислотой основания в первой реакции и сопряженным основанием кислоты. В приведенном выше примере ацетат является основанием обратной реакции, а ион гидроксония является кислотой.
Сила теории Бренстеда – Лоури в том, что, в отличие от теории Аррениуса, для диссоциации не требуется кислота.
Амфотерные вещества
Суть теории Бренстеда – Лоури состоит в том, что кислота существует только как таковая по отношению к основанию, и наоборот . Вода амфотерна, так как может действовать как кислота или как основание. На изображении справа одна молекула H 2 O действует как основание и приобретает H +, чтобы стать H 3 O +, в то время как другая действует как кислота и теряет H +, превращаясь в OH - .
Другой пример - такие вещества, как гидроксид алюминия , Al (OH) 3 .
- , действуя как кислота
- , выступая в качестве базы
Неводные растворы
Ион водорода, или ион гидроксония, представляет собой кислоту Бренстеда – Лоури в водных растворах, а ион гидроксида является основанием в силу реакции самодиссоциации.
Аналогичная реакция происходит в жидком аммиаке.
Таким образом, ион аммония NH+
4, играет в жидком аммиаке ту же роль, что и ион гидроксония в воде и ион амида NH-
2, аналогичен иону гидроксида. Соли аммония действуют как кислоты, а амиды - как основания. [10]
Некоторые неводные растворители могут действовать как основания, то есть акцепторы протонов, по отношению к кислотам Бренстеда – Лоури.
где S обозначает молекулу растворителя. Наиболее важными из таких растворителей являются диметилсульфоксид , ДМСО и ацетонитрил , CH 3 CN, поскольку эти растворители широко используются для измерения констант кислотной диссоциации органических молекул. Поскольку ДМСО является более сильным акцептором протонов, чем H 2 O, кислота в этом растворителе становится более сильной кислотой, чем в воде. [11] Действительно, многие молекулы ведут себя как кислоты в неводном растворе, чего не происходит в водном растворе. Крайний случай происходит с углеродными кислотами , где протон извлекается из связи CH.
Некоторые неводные растворители могут вести себя как кислоты. Кислый растворитель повысит основность растворенных в нем веществ. Например, соединение CH 3 COOH известно как уксусная кислота из-за его кислотного поведения в воде. Однако он ведет себя как основание в жидком хлористом водороде , гораздо более кислотном растворителе. [12]
Сравнение с кислотно-основной теорией Льюиса.
В том же году, когда Бронстед и Лоури опубликовали свою теорию, Г. Н. Льюис предложил альтернативную теорию кислотно-основных реакций. Теория Льюиса основана на электронной структуре . Основание Льюиса определяется как соединение , которое может пожертвовать электронную пару с кислотой Льюиса , соединение , которое может принимать электронную пару. [13] [14] Предложение Льюиса дает объяснение классификации Бренстеда – Лоури с точки зрения электронной структуры.
В этом представлении показано как основание, B, так и сопряженное основание, A - , несущие неподеленную пару электронов, а протон, который представляет собой кислоту Льюиса, переносится между ними.
Позднее Льюис писал в своей книге «Ограничение группы кислот теми веществами, которые содержат водород, так же серьезно мешает систематическому пониманию химии, как и ограничение термина« окислитель » веществами, содержащими кислород ». [14] В теории Льюиса кислота A и основание B : образуют аддукт AB, в котором электронная пара используется для образования дательной ковалентной связи между A и B. аддукт H 3 N-BF 3 из аммиака и трифторида бора , реакция, которая не может происходить в водном растворе, потому что трифторид бора бурно реагирует с водой в реакции гидролиза.
Эти реакции показывают, что BF 3 является кислотой в классификациях Льюиса и Бренстеда – Лоури, и подчеркивают согласованность между обеими теориями. [ необходима цитата ]
Борная кислота признана кислотой Льюиса в силу реакции
В этом случае кислота не диссоциирует, диссоциирует основание, H 2 O. Раствор B (OH) 3 является кислым, поскольку в этой реакции высвобождаются ионы водорода.
Существуют убедительные доказательства того, что разбавленные водные растворы аммиака содержат незначительное количество иона аммония.
и что при растворении в воде аммиак действует как основание Льюиса. [15]
Сравнение с теорией Люкс – Потопа.
Реакции между оксидами в твердом или жидком состоянии не включены в теорию Бренстеда – Лоури. Например, реакция
не подпадает под определение кислот и оснований, данное Бренстедом – Лоури. С другой стороны, оксид магния действует как основание, когда он реагирует с водным раствором кислоты.
Растворенный SiO 2 считается слабой кислотой по Бренстеду – Лоури. [16]
Согласно теории Люкса – Флуда, такие соединения, как MgO и SiO 2 в твердом состоянии, могут быть классифицированы как кислоты или основания. Например, минеральный оливин можно рассматривать как соединение основного оксида MgO с кислым оксидом кремния SiO 2 . Эта классификация важна в геохимии .
Рекомендации
- ^ "Теория Бренстеда-Лоури | химия" . Британская энциклопедия . Проверено 7 марта 2021 .
- ^ Бренстед, Дж. Н. (1923). «Einige Bemerkungen über den Begriff der Säuren und Basen» [Некоторые наблюдения о концепции кислот и оснований ]. Recueil des Travaux Chimiques des Pays-Bas . 42 (8): 718–728. DOI : 10.1002 / recl.19230420815 .
- ^ Лоури, TM (1923). «Уникальность водорода» . Журнал Общества химической промышленности . 42 (3): 43–47. DOI : 10.1002 / jctb.5000420302 .
- ^ Майерс, Ричард (2003). Основы химии . Издательская группа "Гринвуд". стр. 157 -161. ISBN 978-0-313-31664-7.
- ^ Мастертон, Уильям; Херли, Сесиль; Нет, Эдвард (2011). Химия: принципы и реакции . Cengage Learning. п. 433. ISBN. 1-133-38694-6.
- ^ Эббинг, Даррелл; Гаммон, Стивен Д. (2010). Общая химия, расширенное издание . Cengage Learning. С. 644–645. ISBN 0-538-49752-1.
- ^ Уиттен, Кеннет; Дэвис, Раймонд; Пек, Ларри; Стэнли, Джордж (2013). Химия . Cengage Learning. п. 350. ISBN 1-133-61066-8.
- ^ Лью, Кристи (2009). Кислоты и основания . Издание информационной базы. ISBN 9780791097830.
- ^ Патрик, Грэм (2012). Мгновенные заметки по органической химии . Тейлор и Фрэнсис. п. 76. ISBN 978-1-135-32125-3.
- ^ Холлидей, AK; Massy, AG (1965). Неорганическая химия в неводных растворителях . Pergamon Press.
- ^ Райх, Ханс Дж. «Таблица Бордвелла pKa (Кислотность в ДМСО)» . Химический факультет, Университет штата Висконсин, США Архивировано из оригинала 9 октября 2008 года . Проверено 2 ноября 2008 .
- ^ Waddington, TC (1965). Системы неводных растворителей . Нью-Йорк: Academic Press.
- ^ Miessler, GL, Tarr, DA, (1991) " Неорганическая химия " 2-е изд. Пирсон Прентис-Холл, стр. 170–172.
- ^ а б Холл, Норрис Ф. (март 1940). «Системы кислот и оснований». Журнал химического образования . 17 (3): 124–128. Bibcode : 1940JChEd..17..124H . DOI : 10.1021 / ed017p124 .
- ^ Housecroft, CE; Шарп, AG (2004). Неорганическая химия (2-е изд.). Прентис Холл. п. 187. ISBN. 978-0-13-039913-7.
- ^ Полинг, Линус (1960). Природа химической связи (3-е изд.). Итака: Издательство Корнельского университета. п. 557 .