Кислоты и основания Бренстеда-Лоури

Класс реакции кислотно-основная был изучен в течение довольно длительного времени. В 1680 году Роберт Бойл сообщил о чертах кислотных растворов, которые включали в себя их способность растворять много веществ, менять цвета некоторых природных красителей, и терять эти черты после попадания в контакт с растворами щелочей (основание). В восемнадцатом веке было признано, что кислоты имеют кислый вкус, реагируют с известняком, чтобы освободить газообразное вещество (сейчас известно, что CO₂), и взаимодействуют с щелочами, образуя нейтральные вещества. В 1815 году Хамфри Дэви внес значительный вклад в развитие современной концепции кислотно-основная, продемонстрировав, что водород является основной составляющей кислот. Примерно в то же время Джозеф Луи Гэй-Лузсак пришел к выводу, что кислоты являются веществами, которые могут нейтрализовать основы и что эти два класса веществ могут быть определены только по понятию друг друга. Значение водорода было вновь подчеркнуто в 1884 году, когда Свант Аррениус определил кислоту как соединение, растворяющееся в воде для получения катионов водорода (в настоящее время признано ионами гидрония), и основание как соединение, растворяющееся в воде для получения анионов гидроксида.

Бёрнстед-Лоури кислоты и основания

Йоханнес Брёнстед и Томас Лоури предложили более общее описание в 1923 году, в котором кислоты и основания были определены с точки зрения переноса ионов водорода, H⁺. (Обратите внимание, что эти ионы водорода часто называют просто протонами, поскольку субатомная частица является единственным компонентом катионов, полученных из наиболее обильного изотопа водорода, ^1H.) Соединение, которое передает протон другому соединению, называется кислотой Брёнстед-Лоури, а соединение, принимающая протон, называется основание Брёнстед-Лоури. Таким образом, реакция кислотно-основная является передачей протона от донора (кислоты) к акцептору (основание).

Понятие сопряженных пар полезно при описании реакций Брёнстед-Лоури кислотно-основная (и других реакций обратимая, также). Когда кислота жертвует H⁺, вид, который остается, называется конъюгатом основание кислоты, потому что он реагирует как акцептор протонов в обратной реакции. Аналогично, когда основание принимает H⁺, он превращается в свою конъюгатную кислоту. Реакция между водой и аммиаком иллюстрирует эту идею, как показано ниже.

В прямом направлении вода выступает в качестве кислоты, передавая протон аммиаку и впоследствии становясь ионом гидроксида, OH^–, конъюгированным основание воды. Аммиак действует как основание при принятии этого протона, превращаясь в ион аммония, NH₄⁺, конъюгатную кислоту аммиака. В обратном направлении гидроксид-ион действует как основание при принятии протона из иона аммония, которая действует как кислота.

Сильные кислоты и основания полностью диссоциируют в раствор. Их конъюгатные кислоты и основания крайне слабы и не могут жертвовать или принимать протоны соответственно для осуществления обратной реакции; поэтому реакции, связанные с сильными кислотами и основами, по существу идут к завершению, когда в водном раствор. С другой стороны, слабые кислоты и основания частично диссоциируются в растворах и производят слабые конъюгатные основания и кислоты соответственно. Эти слабые конъюгатные кислоты или основания могут осуществлять обратную реакцию, и таким образом реакции слабой кислоты и основание достигают равновесия в зависимости от относительной силы слабых кислот и оснований. Подводя итог, более сильная кислота приведет к столь же слабой конъюгате основание, в то время как более сильная основание будет производить не менее слабую конъюгатную кислоту и наоборот. В таблице 1 показано соотношение между различными сопряжёнными парами кислотно-основная.

Таблица 1: Относительная прочность нескольких сопряженных пар кислотно-основная.

Этот текст адаптирован к Openstax, Химия 2е изд., раздел 14.4 Брёнстед-Лоури кислота и основания.