Teoria protonowa kwasów i zasad

CZĘŚĆ 3.
TEMAT 4. Teoria protonowa kwasów i zasad.
Teorie kwasów i zasad – zbiór fundamentalnych pojęć fizykochemicznych, które opisują naturę i właściwości kwasów i zasad. Wszystkie teorie wprowadzają definicje kwasów i zasad – dwóch klas substancji, które reagują ze sobą. Celem teorii jest przewidywanie produktów reakcji między kwasem a zasadą oraz możliwości jej przebiegu, przy czym stosuje się ilościowe charakterystyki siły kwasu i zasady. Różnice między teoriami dotyczą definicji kwasów i zasad, charakterystyki ich siły, a co za tym idzie – reguł przewidywania produktów reakcji między nimi. Wszystkie teorie mają swoje obszary zastosowania, które częściowo się nakładają.

Ewolucja pojęć o interakcjach kwasowo-zasadowych.
Pojęcia dotyczące interakcji kwasowo-zasadowych należą do podstawowych założeń chemicznych. Pojęcia „kwas” i „zasada” zaczęły się kształtować już w XVII wieku, jednak ich treść była wielokrotnie rewidowana i doprecyzowywana. R. Boyle uważał, że kwasy to substancje, których atomy mają ostre wypustki (i w związku z tym ostry smak), a zasady to substancje o porowatej strukturze (i gorzki smak). Jego zdaniem reakcja neutralizacji polegała na tym, że wypustki kwasu wchodziły w pory zasady.
Teoria obrazowa kwasów i zasad została zaproponowana przez N. Lemeriego. W swoim „Kursie chemii” (1675) próbował wyjaśnić właściwości fizyczne i chemiczne substancji za pomocą ich formy i struktury. Według wyobrażeń Lemeriego, kwasy miały na swojej powierzchni ostre kolce, które wywołują uczucie ukłucia na skórze. Zasady, nazwane przez niego ługami, składały się z porowatych ciał. „Kolce” kwasów wnikały w „pory”, przy czym łamały się lub tępiły, a kwasy przekształcały się w neutralne sole[1].
Naukowe wyobrażenia o naturze kwasów i zasad zaczęły się formować pod koniec XVIII wieku. W pracach A. Lavoisiera właściwości kwasu były powiązane z obecnością atomów tlenu w składzie substancji. Znane wtedy kwasy mineralne i organiczne rzeczywiście zawierały tlen. Ta hipoteza szybko okazała się nietrafna, kiedy dzięki badaniom G. Davy'ego i J. Gay-Lussaca odkryto szereg kwasów, które nie zawierały tlenu (na przykład halogenowodory, kwasy cyjanowodorowe), podczas gdy wiele tlenków nie wykazywało właściwości kwasowych.
Od początku XIX wieku kwasami zaczęto nazywać substancje, które mogą reagować z metalami z wydzieleniem wodoru (J. Liebig, 1839). W tym samym czasie J. Berzelius zaproponował teorię wyjaśniającą właściwości kwasowo-zasadowe substancji ich elektryczną „dwufazową” naturą. Zgodnie z tą teorią, kwasami były elektro-dodatnie tlenki niemetali i niektórych metali (na przykład chromu, manganu itp.), a tlenki metali elektro-dodatnich uznawano za zasady. W ten sposób kwasowość lub zasadowość według Berzeliusa jest traktowana jako funkcjonalna, a nie absolutna cecha substancji. Berzelius po raz pierwszy podjął próbę ilościowej oceny i przewidywania siły kwasów i zasad[2].
Po pojawieniu się teorii dysocjacji elektrolitycznej S. Arrheniusa (1887) powstała możliwość opisu właściwości kwasów i zasad na podstawie produktów dysocjacji elektrolitu. Dzięki pracom W. Ostwalda teoria ta rozwinęła się dla słabych elektrolitów.
Na początku XX wieku amerykańscy chemicy G. Cady, E. Franklin i C. Kraus stworzyli teorię solwosystemów, rozszerzając zasady teorii Arrheniusa-Ostwalda na wszystkie rozpuszczalniki, które mogą przechodzić samodysocjację.
Nowoczesne teorie kwasów i zasad oparte są na wyobrażeniach J. Brønsteda i G. Lewisa. Istnieją udane próby stworzenia ogólnych teorii (M. Usanowicz, 1939), ale nie znalazły one szerokiego zastosowania[3].

Teoria wodoru Lavoisiera
Definicje. Kwas – substancja zdolna do reakcji z metalem z wydzieleniem wodoru. Pojęcie „zasada” w tej teorii nie istnieje.
Produkty reakcji. W reakcji kwasu z metalem powstaje sól i wodór.
Przykłady. Kwas – HCl:
Reakcja 2HCl + Zn = ZnCl2 + H2↑
Kryteria przebiegu reakcji. Silne kwasy reagują z metalami, które znajdują się w szeregu aktywności na lewo od wodoru. Im słabszy kwas, tym bardziej aktywny metal jest wymagany do reakcji.
Charakterystyki ilościowe. Ponieważ teoria ta jest rzadko stosowana, charakterystyki ilościowe siły kwasu (a więc także przewidywania kierunku reakcji) nie zostały opracowane w ramach tej teorii.
Obszar zastosowania. Przewidywanie interakcji substancji zawierających wodór z metalami w dowolnych rozpuszczalnikach.
Cechy charakterystyczne. Zgodnie z tą teorią etanol i amoniak są słabymi kwasami, ponieważ reagują z metalami alkalicznymi:
2C2H5OH + 2Na = 2C2H5ONa + H2↑
2NH3 + 2Na = 2NaNH2 + H2↑

Teoria dysocjacji elektrolitycznej Arrheniusa – Ostwalda.
Schemat dysocjacji elektrolitycznej kwasu octowego w roztworze wodnym
Główna artykuł: Teoria dysocjacji elektrolitycznej
Definicje. Kwasy to substancje, które w roztworze wodnym tworzą kationy hydratowane wodoru H+ (kationy hydronium) oraz aniony reszty kwasu.
Zasady to substancje, które w roztworze wodnym dysocjują, tworząc kationy metali lub amoniaku i aniony wodorotlenkowe OH−.
Sole to substancje, które dysocjują, tworząc kationy metalu lub amoniaku i aniony reszty kwasu.
Produkty reakcji. W reakcji kwasu z zasadą (reakcja neutralizacji) powstaje sól i woda.
Przykłady. Kwas – HCl (reszta kwasu Cl-):
HCl + H2O ↔ H3O+ + Cl-
Zasada – NaOH:
NaOH ↔ Na+ + OH-
Reakcja neutralizacji (sól – NaCl):
HCl + NaOH = NaCl + H2O
Kryteria przebiegu reakcji. Silne kwasy reagują z silnymi zasadami. Im słabszy kwas, tym silniejsza zasada jest potrzebna do reakcji.
Charakterystyki ilościowe. Siła kwasu i zasady jest charakteryzowana ich stałymi dysocj