Brønsteds protonteori for syrer og baser: Udviklingen af syre-base-begreber i kemiens historie

DEL 3.
EMNE 4. Proton teori om syrer og baser.
Teorier om syrer og baser er en samling af fundamentale fysikokemiske begreber, der beskriver naturen og egenskaberne ved syrer og baser. Alle disse teorier giver definitioner på syrer og baser — de to klasser af stoffer, der reagerer med hinanden. Teoriens opgave er at forudsige reaktionsprodukterne mellem en syre og en base samt mulighederne for, at reaktionen kan finde sted, hvilket kræver kvantitative målinger af syrenes og basens styrke. Forskellene mellem teorierne ligger i definitionerne af syrer og baser, deres styrkekarakteristika og dermed også i reglerne for at forudsige reaktionsprodukterne mellem dem. Alle disse teorier har deres anvendelsesområde, som delvist overlapper hinanden.

Udviklingen af forståelsen af syre-base-interaktioner.
Forståelsen af syre-base-interaktioner er et af de fundamentale kemiske principper. Begreberne "syre" og "base" blev dannet allerede i det 17. århundrede, men deres indhold er blevet revideret og præciseret flere gange. Således mente R. Boyle, at syrer var stoffer, hvis atomer havde skarpe fremspring (og derfor en skarp smag), mens baser var stoffer med porer (og en sammensat smag). Ifølge ham var neutralisationsreaktionen en proces, hvor syrefremspringene trængte ind i basens porer.
Den billedlige teori om syrer og baser blev foreslået af N. Lémery. I sin "Kursus i kemi" (1675) forsøgte han at forklare fysiske og kemiske egenskaber ved stoffer gennem deres form og struktur. Ifølge Lémery havde syrer skarpe pigge på deres overflade, som forårsagede stikkende fornemmelser på huden. Baser, som han kaldte alkali, bestod af porøse stoffer. "Pigge" fra syrer trængte ind i "porerne", brød eller blev sløve, og syrerne blev til neutrale salte[1].
De videnskabelige ideer om syrernes og basers natur begyndte at forme sig i slutningen af det 18. århundrede. I A. Lavoisiers værker blev de sure egenskaber knyttet til tilstedeværelsen af iltom i stoffets sammensætning. De minerale og organiske syrer, der var kendt på det tidspunkt, indeholdt faktisk ilt. Denne hypotese viste sig dog hurtigt at være fejlagtig, da G. Davy og J. Gay-Lussacs arbejder afslørede en række syrer, der ikke indeholdt ilt (f.eks. halogenhydroider, cyanid syrer), mens mange iltforbindelser ikke udviste sure egenskaber.
Fra begyndelsen af det 19. århundrede begyndte man at betragte syrer som stoffer, der kunne reagere med metaller og frigive hydrogen (J. Liebig, 1839). Omtrent på samme tid fremsatte J. Berzelius en idé om, at syre-base egenskaberne kunne forklares med stofferne elektriske "dualistische" natur. Han betragtede elektronegative oxider af ikke-metaller og nogle metaller (som krom og mangan) som syrer, mens elektropositive oxider af metaller blev betragtet som baser. Derfor betragtede Berzelius syre- eller base-egenskaber som funktionelle egenskaber snarere end absolutte egenskaber ved forbindelser. Berzelius var den første til at forsøge at kvantificere og forudsige syre- og base styrker[2].
Med fremkomsten af teorien om elektrolytisk dissociation af S. Arrhenius (1887) blev det muligt at beskrive syre-base egenskaber ud fra produkterne af elektrolytternes ionisering. Takket være V. Ostwalds arbejde blev teorien videreudviklet for svage elektrolytter.
I begyndelsen af det 20. århundrede udviklede amerikanske kemikere G. Cady, E. Franklin og C. Kraus teorien om solvatosystemer, der udvidede Arrhenius-Ostwald teorien til alle opløsningsmidler, der kunne gennemgå selv-dissociation.
De moderne teorier om syrer og baser er baseret på idéerne fra J. Brønsted og G. Lewis. Der er vellykkede forsøg på at skabe generelle teorier (M. Usanovich, 1939), men disse har ikke opnået bred anvendelse[3].

Liebigs hydrogen teori
Definitioner. En syre er et stof, der kan reagere med metal og frigive hydrogen. Begrebet "base" findes ikke i denne teori.
Reaktionsprodukter. Ved reaktionen mellem en syre og et metal dannes et salt og hydrogen.
Eksempler. Syre — HCl:
Reaktion: 2HCl + Zn = ZnCl2 + H2↑
Kriterier for reaktionens forløb. Metaller, der står til venstre for hydrogen i aktivitetsrækken, reagerer med stærke syrer. Jo svagere syren er, desto mere aktivt metal er nødvendigt for reaktionen.
Kvantitative karakteristika. Da teorien sjældent anvendes, er kvantitative karakteristika for syrestyrke (og dermed reaktionsretning) ikke udviklet inden for denne teori.
Anvendelsesområde. Forudsigelse af interaktionen mellem hydrogenholdige stoffer og metaller i ethvert opløsningsmiddel.
Specifikke træk. I henhold til denne teori anses ethylalkohol og ammoniak som svage syrer, da de kan reagere med alkaliske metaller:
2C2H5OH + 2Na = 2C2H5ONa + H2↑
2NH3 + 2Na = 2NaNH2 + H2↑

Arrhenius-Ostwald elektrolytisk dissociation teori.
Skema for elektrolytisk dissociation af eddikesyre i vandig opløsning
Definitioner. Syrer er stoffer, der danner hydrerede kationer af hydrogen H+ (hydroniumioner) og anioner af syrerest i vandig opløsning.
Baser er stoffer, der dissocierer i vandig opløsning og danner metal- eller ammoniumkationer og hydroxid-anioner OH−.
Salte er stoffer, der dissocierer og danner metal- eller ammoniumkationer og syrerest-anioner.
Reaktionsprodukter. Ved reaktionen mellem syre og base (neutralisationsreaktion) dannes et salt og vand.
Eksempler. Syre — HCl (syrerest Cl-):
HCl + H2O ↔ H3O+ + Cl-
Base — NaOH:
NaOH ↔ Na+ + OH-
Neutralisationsreaktion (salt — NaCl):
HCl + NaOH = NaCl + H2O
Kriterier for reaktionens forløb. Stærke syrer reagerer med stærke baser. Jo svagere syren er, desto stærkere base er nødvendig for reaktionen.
Kvantitative karakteristika. Syren og basens styrke karakteriseres ved deres dissociationskonstanter K.
For syre HA K = [H+]·[A-]/[HA]
For base MeOH K = [Me+]·[OH-]/[MeOH]
For at reaktionen mellem syre og base kan finde sted, skal produktet af deres dissociationskonstanter være større end 10−14 (det ioniske produkt for vand).

Brønsted-Lowrys protonteori.
Sammenligning af modeller for syre-base-interaktion ifølge Lewis og Brønsted.
Den protolytiske (proton) teori om syrer og baser blev i 1923 foreslået uafhængigt af hinanden af den danske videnskabsmand J. Brønsted og den engelske videnskabsmand T. Lowry. I denne teori blev begrebet om syrer og baser forenet i en enhed, der manifesterede sig i syre-base-interaktionen: A + B + H+ (A — syre, B — base). Ifølge denne teori er syrer molekyler eller ioner, der kan være proton-donorer i denne reaktion, og baser er molekyler eller ioner, der kan tilslutte protoner (acceptorer). Syrer og baser kaldes samlet for protolitter.
Essensen af syre-base-interaktionen er overførsel af protoner fra syren til basen. Ved dette bliver syren til en base, da den kan tilslutte en proton igen, og basen, der danner et protoneret molekyle, bliver en syre. Således involverer enhver syre-base-interaktion to par af syrer og baser, som Brønsted kaldte konjugerede: A1 + B2 → A2 + B1.
Det samme stof kan under forskellige betingelser både være en syre og en base (amfotær). For eksempel, når vand reagerer med stærke syrer, fungerer det som en base: H2O + H+ → H3O+, mens det reagerer med ammoniak og bliver en syre: NH3 + H2O → NH4+ + OH−.

Solvatosystem teori.
Solvatosystem teori — en udvidelse af Arrhenius-Ostwald teorien til andre ioniske (især protonholdige opløsningsmidler). Foreslået af de amerikanske kemikere G. Cady, E. Franklin og C. Kraus.