De Protonentheorie van Zuren en Basen

DEEL 3.
THEMA 4. De protontheorie van zuren en basen.
Zuur-base theorieën zijn een verzameling van fundamentele fysisch-chemische concepten die de aard en eigenschappen van zuren en basen beschrijven. Deze theorieën geven definities voor zuren en basen — twee klassen van stoffen die met elkaar reageren. Het doel van een theorie is het voorspellen van de reactieproducten tussen een zuur en een base en het inschatten van de mogelijkheid dat deze reactie plaatsvindt, waarvoor kwantitatieve kenmerken van de sterkte van zuren en basen worden gebruikt. De verschillen tussen de theorieën liggen in de definities van zuren en basen, in de karakterisering van hun sterkte en als gevolg daarvan — in de regels voor het voorspellen van de reactieproducten tussen hen. Elke theorie heeft zijn eigen toepassingsgebied, die elkaar gedeeltelijk overlappen.

Op basis van de moderne theorie van zuren en basen zijn diverse takken van de chemische wetenschap ontwikkeld, zoals de chemie van waterige en niet-waterige elektrolytoplossingen, pH-meting in niet-waterige media, homo- en heterogene zuur-base katalyse, de theorie van zuurfunties en vele andere.

Evolutie van de opvattingen over zuur-base interacties
De opvattingen over zuur-base interacties behoren tot de fundamentele principes van de chemie. De begrippen “zuur” en “base” ontstonden al in de 17e eeuw, maar hun inhoud werd herhaaldelijk herzien en verfijnd. Zo beschouwde R. Boyle zuren als stoffen waarvan de atomen scherpe uitsteeksels hebben (en dus een scherpe smaak geven), en basen als stoffen met poriën (en een wrange smaak). Volgens hem bestond neutralisatie erin dat de uitsteeksels van het zuur in de poriën van de base pasten.

Een beeldende theorie van zuren en basen werd voorgesteld door N. Lémery. In zijn “Cours de Chimie” (1675) probeerde hij de fysische en chemische eigenschappen van stoffen te verklaren aan de hand van hun vorm en structuur. Volgens Lémery hebben zuren scherpe punten op hun oppervlak, die prikken op de huid veroorzaken. Basen, door hem “alkaliën” genoemd, zijn poreuze stoffen. De “stekels” van de zuren dringen de “poriën” binnen, breken af of worden stomp, en de zuren worden omgezet in neutrale zouten[1].

Wetenschappelijke opvattingen over de aard van zuren en basen begonnen zich te vormen aan het einde van de 18e eeuw. In het werk van A. Lavoisier werden zure eigenschappen toegeschreven aan de aanwezigheid van zuurstofatomen in een stof. De destijds bekende minerale en organische zuren bevatten inderdaad zuurstof. Deze hypothese bleek al snel onjuist, toen G. Davy en J. Gay-Lussac een aantal zuren ontdekten zonder zuurstof (bijvoorbeeld waterstofhalogeniden, blauwzuur), terwijl veel zuurstofhoudende verbindingen geen zure eigenschappen vertoonden.

Met de opkomst van de theorie van elektrolytische dissociatie van S. Arrhenius (1887) werd het mogelijk om zuur-base eigenschappen te beschrijven op basis van de ionisatieproducten van een elektrolyt. Dankzij het werk van W. Ostwald werd de theorie verder ontwikkeld voor zwakke elektrolyten.

Begin 20e eeuw ontwikkelden de Amerikaanse chemici G. Cady, E. Franklin en C. Kraus de solvotheorieën, waarmee ze de Arrhenius–Ostwald-theorie uitbreidden naar alle oplosmiddelen die tot zelfdissociatie in staat zijn.

De basis van de moderne zuur-base theorieën werd gelegd door de opvattingen van J. Brønsted en G. Lewis. Er zijn succesvolle pogingen gedaan om algemene theorieën te ontwikkelen (zoals door M. Usanovich in 1939), maar deze vinden weinig toepassing[3].

De waterstof-theorie van Liebig
Definities. Zuur — een stof die met een metaal kan reageren onder afgifte van waterstof. Het begrip “base” bestaat niet in deze theorie.
Reactieproducten. Bij de reactie van een zuur met een metaal ontstaan een zout en waterstofgas.
Voorbeelden. Zuur — HCl:
Reactie: 2HCl + Zn = ZnCl2 + H2↑
Criterium voor de reactie. Sterke zuren reageren met metalen die in de spanningsreeks links van waterstof staan. Hoe zwakker het zuur, hoe actiever het metaal moet zijn voor een reactie.
Kwantitatieve kenmerken. Aangezien de theorie zelden wordt toegepast, zijn er binnen deze theorie geen kwantitatieve kenmerken van zuursterkte of methoden voor het voorspellen van de reacties ontwikkeld.
Toepassingsgebied. Voorspelling van reacties tussen waterstofhoudende stoffen en metalen in alle oplosmiddelen.