Protonteorien for syrer og baser: Utvikling, definisjoner og anvendelser

DEL 3.
TEMA 4. Protonteorien for syrer og baser.
Teorier om syrer og baser er et sett med grunnleggende fysikalsk-kjemiske konsepter som beskriver naturen og egenskapene til syrer og baser. Alle disse teoriene introduserer definisjoner av syrer og baser — to klasser av stoffer som reagerer med hverandre. Målet med teoriene er å forutsi reaksjonsproduktene mellom en syre og en base, samt muligheten for reaksjonen, ved å bruke kvantitative karakteristikker for syre- og basestyrke. Forskjellene mellom teoriene ligger i definisjonene av syrer og baser, deres styrkeegenskaper og, som et resultat, i reglene for å forutsi reaksjonsproduktene mellom dem. Alle teoriene har sitt bruksområde, og disse områdene overlapper delvis.

Evolusjon av ideer om syre-base-interaksjoner.
Ideene om syre-base-interaksjoner tilhører de grunnleggende kjemiske prinsippene. Begrepene «syre» og «base» ble dannet allerede på 1600-tallet, men deres innhold ble flere ganger revidert og presisert. For eksempel mente R. Boyle at syrer var stoffer hvis atomer hadde skarpe utstikk (og dermed en skarp smak), mens baser hadde porer (og en bitter smak). Ifølge hans teori ble nøytraliseringsreaksjonen sett på som en prosess der syreutstikkene gikk inn i porene til basen.
Den figurative teorien om syrer og baser ble foreslått av N. Lémery. I sitt «Kurs i kjemi» (1675) forsøkte han å forklare stoffenes fysiske og kjemiske egenskaper med begrepene form og struktur. Ifølge Lémery hadde syrer skarpe pigger på overflaten som forårsaket stikkende følelser på huden. Baser, som han kalte alkali, bestod av porøse stoffer. «Piggene» til syrer trengte inn i «porene», og brøt eller sløvet, og syrene ble omdannet til nøytrale salter[1].
De vitenskapelige forståelsene om naturen til syrer og baser begynte å ta form på slutten av 1700-tallet. I arbeidet til A. Lavoisier ble de sure egenskapene knyttet til tilstedeværelsen av oksygenatomer i stoffet. De kjente mineral- og organiske syrene som ble brukt på den tiden, inneholdt faktisk oksygen. Denne hypotesen viste seg raskt å være feilaktig, ettersom arbeider av H. Davy og J. Gay-Lussac avslørte flere syrer som ikke inneholdt oksygen (for eksempel halogenhydrokarboner, blåsyre), mens mange oksygenholdige forbindelser ikke viste sure egenskaper.
Fra begynnelsen av 1800-tallet begynte man å anse stoffer som syrer dersom de kunne reagere med metaller og frigjøre hydrogen (J. Liebig, 1839). Samtidig introduserte J. Berzelius en teori som forklarte syre-base-egenskaper gjennom stoffenes elektriske «dualiste» natur. Ifølge denne teorien anså han elektronegative oksider av ikke-metaller og noen metaller (for eksempel krom og mangan) som syrer, mens elektropositive oksider av metaller ble sett på som baser. Slik ble syre- og baseegenskaper hos Berzelius betraktet som funksjonelle, ikke absolutte egenskaper ved stoffene. Berzelius forsøkte for første gang å vurdere og forutsi syre- og basekraft på en kvantitativ måte[2].
Med oppdagelsen av teorien om elektrolytisk dissosiasjon av S. Arrhenius (1887) ble det mulig å beskrive syre-base-egenskaper ved hjelp av ionisering av elektrolytter. Takket være arbeidet til W. Ostwald fikk teorien videre utvikling for svake elektrolytter.
På begynnelsen av 1900-tallet utviklet amerikanske kjemikere H. Cady, E. Franklin og C. Kraus en teori om solvotiske systemer, og utvidet Arrhenius-Ostwalds teori til å omfatte alle løsninger som kunne selvdisassosiere.
Moderne teorier om syrer og baser er basert på ideene til J. Brønsted og G. Lewis. Det finnes vellykkede forsøk på å lage generaliserte teorier (M. Usanovich, 1939), men disse har ikke fått bred anvendelse[3].

Liebigs hydrogen-teori
Definisjoner. Syre — et stoff som kan reagere med metall og frigjøre hydrogen. Begrepet «base» finnes ikke i denne teorien.
Reaksjonsprodukter. Når en syre reagerer med et metall, dannes det et salt og hydrogen.
Eksempler. Syre — HCl:
Reaksjon 2HCl + Zn = ZnCl2 + H2↑
Kriterier for reaksjonsforløp. Med sterke syrer reagerer metaller som står til venstre for hydrogen i aktivitetsskalaen. Jo svakere syren er, desto mer aktivt metall kreves for reaksjonen.
Kvantitative karakteristikker. Siden teorien brukes sjelden, har ikke kvantitative karakteristikker for syrestyrke (og dermed for å forutsi reaksjonsretning) blitt utviklet innenfor denne teorien.
Bruksområde. Forutsigelse av interaksjoner mellom hydrogenholdige stoffer og metaller i ulike løsemidler.
Spesifikke egenskaper. I henhold til denne teorien er etylalkohol og ammoniakk svake syrer, da de kan reagere med alkaliske metaller:
2C2H5OH + 2Na = 2C2H5ONa + H2↑
2NH3 + 2Na = 2NaNH2 + H2↑

Teorien om elektrolytisk dissosiasjon av Arrhenius-Ostwald
Hovedartikkel: Teorien om elektrolytisk dissosiasjon
Definisjoner. Syrer er stoffer som i vannig løsning danner hydrerte H+ kationer (hydronium-ioner) og anioner fra syre-restene.
Baser er stoffer som dissosierer i vannig løsning og danner kationer av metaller eller ammonium og hydroksid-anioner OH−.
Salter er stoffer som dissosierer og danner kationer av metaller eller ammonium og anioner fra syre-restene.
Reaksjonsprodukter. Når en syre reagerer med en base (nøytraliseringsreaksjon), dannes det salt og vann.
Eksempler. Syre — HCl (syre-rest: Cl-):
HCl + H2O ↔ H3O+ + Cl-
Base — NaOH:
NaOH ↔ Na+ + OH-
Nøytraliseringsreaksjon (salt — NaCl):
HCl + NaOH = NaCl + H2O
Kriterier for reaksjonsforløp. Sterke syrer reagerer med sterke baser. Jo svakere syren er, desto sterkere base kreves for reaksjonen.
Kvantitative karakteristikker. Syre- og basestyrke karakteriseres av deres dissosiasjonskonstanter K.
For syre HA: K = [H+]·[A-]/[HA]
For base MeOH: K = [Me+]·[OH-]/[MeOH]
For at reaksjonen skal finne sted, må produktet av dissosiasjonskonstantene være større enn 10−14 (vannets ionprodukt).

Protonteorien til Brønsted - Lowry.
Protonteorien om syrer og baser ble utviklet i 1923 uavhengig av hverandre av den danske kjemikeren J. Brønsted og den engelske kjemikeren T. Lowry. I denne teorien ble begrepet syrer og baser forent i et helhetlig konsept som manifesterer seg i syre-base-interaksjonen: A + B + H+ (A — syre, B — base). Ifølge denne teorien er syrer molekyler eller ioner som kan være proton-donorer i en reaksjon, mens baser er molekyler eller ioner som tar opp protoner (akseptorer). Syrer og baser har fått et felles navn: protolitter.
Essensen av syre-base-interaksjonen er protonoverføringen fra syre til base. Når syren overfører et proton til basen, blir syren selv til en base, ettersom den kan ta opp et proton på nytt, og basen som danner et protonert ion, blir en syre. Dermed involverer enhver syre-base-interaksjon to par syrer og baser, kjent som Brønsted-par: A1 + B2 → A2 + B1.
Et stoff kan være både en syre og en base avhengig av interaksjonsforholdene (amfotere). For eksempel er vann en base når det reagerer med sterke syrer: H2O + H+ → H3O+, og det blir en syre når det reagerer med ammoniakk: NH3 + H2O → NH4+ + OH−.

Teorien om solvotiske systemer.
Teorien om solvotiske systemer er en utvidelse av Arrhenius-Ostwald-teorien til andre ioniske (spesielt protonholdige) løsninger. Den ble foreslått av de amerikanske kjemikerne H. Cady, E. Franklin og C. Kraus.