Kwas i zasada – dwa pojęcia, wiele znaczeń

dr Paweł Urbaniak

ACCH, Łódź, 15.02.2017

KWAS – ZNACZENIE POTOCZNE

• Kwaśny smak (UWAGA: NIE WOLNO PRÓBOWAĆ WIĘKSZOŚCI KWASÓW!)

• Wiele kwasów potrafi rozpuszczać metale (ale nie wszystkie!)

• Barwią wskaźniki na odpowiednie kolory, co pozwala je odróżnić od innych substancji.

2

ZASADA – ZNACZENIE POTOCZNE

• Gorzki smak (UWAGA: BEZWZGLĘDNIE NIE WOLNO PRÓBOWAĆ ZASAD!)

• Powodują, że skóra staje się śliska

• Barwią wskaźniki na odpowiednie kolory, co pozwala je odróżnić od innych substancji.

3

SVANTE AUGUST ARRHENIUS

• Svante Arrhenius (1859-1927) (Szwecja)

• Laureat Nagrody Nobla 1903 r.

4

SVANTE AUGUST ARRHENIUS

• Svante Arrhenius 1859-1927 (Szwecja)

• Laureat Nagrody Nobla w 1903 r.

• Arrhenius podstawy teorii sformułował w 1884 r., w swojej pracy doktorskiej.

• Doktorat został oceniony jako bardzo słaby…

5

Teoria Arrheniusa (1887)

• KWAS – związek, który odszczepia jon wodorowy H+.

• Kwasy barwią papierek lakmusowy na czerwono.

6

Teoria Arrheniusa

• Odłączeniu od cząsteczki w postaci jonu H+ może ulec wyłącznie atom wodoru połączony z silnie elektroujemnym atomem.

CHLOROWODÓR JON WODOROWY

JON CHLORKOWY

KWAS CHLOROWODOROWY

7

Teoria Arrheniusa

• Przykłady dysocjacji kwasów:

HNO3 H+ + NO3-.

HNO2 H+ + NO2-.

H2CO3 H+ + HCO3-.

HCO3- H+ + CO3

2-.

Przykładowe kwasy

Nazwa Wzór

Chlorowodorowy HCl

Azotowy (V) HNO3

Siarkowy (VI) H2SO4

Fosforowy H3PO4

Etanowy CH3COOH

Azotowy (III) HNO2

Węglowy H2CO3

8

• Nie wszystkie atomy wodoru ulegają odszczepieniu (dysocjacji):

CH3COOH CH3COO- + H+.

Teoria Arrheniusa

ULEGA DYSOCJACJI

NIE ULEGA DYSOCJACJI

9

• ZASADA – związek, który odszczepia jon wodorotlenowy OH-.

• Zasady barwią papierek lakmusowy na niebiesko

Teoria Arrheniusa

Przykładowe zasady

Nazwa Wzór Rozpuszczalność

Wodorotlenek sodu NaOH Bardzo dobra

Wodorotlenek potasu KOH Bardzo dobra

Wodorotlenek wapnia Ca(OH)2 Słaba

Wodorotlenek magnezu Mg(OH)2 Bardzo słaba

10

Teoria Arrheniusa

• Przykład reakcji dysocjacji zasady:

WODOROTLENEK SODU

JON SODOWY

JON WODOROTLENOWY

11

• W reakcji kwasu i zasady powstaje sól i woda.

• Teoria bardzo dobrze tłumaczy, dlaczego ciepło zobojętniania ma stałą wartość (57,27 kJ/mol):

Teoria Arrheniusa

HNO3 H+ + NO3-.

KOH K+ + OH-. HNO3 + KOH KNO3 + H2O H+ + OH- H2O

HClO4 H+ + ClO4-.

NaOH Na+ + OH-. HClO4 + NaOH NaClO4 + H2O H+ + OH- H2O

12

Teoria Arrheniusa – słabe strony

• Jeśli w reakcji kwasu i zasady powstają sole to zawsze powinny wykazywać odczyn obojętny. Jednak są sole, których roztwory barwią papierki lakmusowe na czerwono lub niebiesko.

• Dlaczego amoniak NH3 barwi papierek lakmusowy tak samo jak roztwór NaOH?

13

STAWIANE PYTANIA

• Czy „kwasowość” jest cechą substancji samą w sobie, niezmienną dla danej substancji?

• Czy uprawnione jest nazywanie danej substancji ZAWSZE kwasem?

• Czy właściwości kwasowe zależą od rozpuszczalnika?

• Czy bycie kwasem jest nierozerwalnie powiązane z posiadaniem w cząsteczce atomu wodoru?

14

Skala pH

• Soren Peter Sorensen (1868-1939) (Dania)

• W 1909 r. wprowadza stosowaną do dziś skalę pH.

pH = -log [H+]

• Do jakiej potęgi należy podnieść 10, aby po zmianie jej znaku na przeciwny, uzyskać żądaną liczbę.

• pH = 7, co oznacza [H+] = 10-7 mol/dm3.

• pH < 7 – roztwory z przewagą jonów H+ - kwasowe

• pH > 7 – roztwory z przewagą jonów OH- - zasadowe

15

pH przykładowych roztworów

16

Wskaźniki pH

17

Teoria Bronsteda-Lowry’ego (1923) • Węglan sodu czy amoniak są zasadami, ale nie posiadają w strukturze

grup OH.

• Na wiele z przedstawionych wcześniej pytań odpowiedzieli równocześnie, niezależnie od siebie:

Johannes Bronsted 1879 - 1947 (Dania) Thomas Martin Lowry 1874 – 1936 (Anglia) 18

Teoria Bronsteda-Lowry’ego

• Teoria Bronsteda-Lowry’ego

• KWAS – donor (dawca) protonu H+.

• ZASADA – akceptor (biorca) protonu H+.

• Kwas w wyniku dysocjacji protonu zamienia się w zasadę. Kwas i powstającą z niego zasadę nazywamy PARĄ SPRZĘŻONĄ.

chlorowodór jon hydroniowy jon chlorkowy woda

19

• Aby kwas mógł odszczepić proton w jego otoczeniu (w układzie) musi być obecna zasada wchodząca w skład drugiej pary sprzężonej

• Teoria obejmuje wszystkie kwasy z teorii Arrheniusa

• Teoria rozszerza pojęcie zasady o związki, których nie uwzględnia teoria Arrheniusa

Teoria Bronsteda-Lowry’ego

amoniak jon amonowy woda Jon hydroksylowy

20

• Niektóre substancje pojawiają się w obu kolumnach.

• Przykład: woda, jon wodorowęglanowy.

• Są to substancje amfoteryczne.

• Ich rola zależy od właściwości drugiej obecnej w układzie pary sprzężonej

Przykłady par

sprzężonych

Kwas Zasada

HCl Cl–

H2SO4 HSO4–

H3O+ H2O

HSO4– SO4

2–

CH3COOH CH3COO–

H2CO3 HCO3−

HCO3– CO3

2–

NH4+ NH3

H2O OH–

Teoria Bronsteda-Lowry’ego

21

KWAS ZASADA Najmocniejszy HClO4 ClO4

- Najsłabsza Kwas H2SO4 HSO4

- zasada HI I-

HBr Br-

HCl Cl-

HNO3 NO3-

H3O+ H2O HSO4

- SO42-

H2SO3 HSO3-

H3PO4 H2PO4-

HNO2 NO2-

HF F-

CH3CO2H CH3CO2-

H2CO3 HCO3-

H2S HS-

NH4+ NH3

HCN CN-

HCO3- CO3

2-

HS- S2-

H2O OH-

Najsłabszy NH3 NH2- Najmocniejsza

Kwas OH- O2- zasada

22

• W obecności substancji o silniejszych właściwościach kwasowych, woda będzie pełnić rolę zasady, zamieniając się w kwas.

HCl + H2O H3O+ + Cl-.

• W obecności substancji o słabszych właściwościach kwasowych, woda będzie pełnić rolę kwasu, zamieniając się w zasadę.

NH3 + H2O NH4+ + OH-.

Teoria Bronsteda-Lowry’ego

kwas

kwas

zasada

zasada

zasada

zasada

kwas

kwas

23

• Inne ciekawe przykłady:

NaHCO3 Na+ + HCO3-

HCO3- + H2O CO3

2- + H3O+.

• Stały NaOH ulega w wodzie dysocjacji na jony:

NaOH Na+ + OH-.

• Rozpada się na jony bardzo słabego kwasu Na+ oraz bardzo mocnej zasady OH-.

Teoria Bronsteda-Lowry’ego

kwas zasada kwas zasada

24

• Dlaczego jony metali są kwasami?

• Bo ulegają w wodzie hydratacji. Powstają kompleksy, które mogą odszczepiać proton:

Fe(H2O)63+ Fe(H2O)5(OH)2+ + H+.

Teoria Bronsteda-Lowry’ego

kwas sprzężona zasada

25

• Pojęcie kwasu zbliżone do ujęcia Arrheniusa

• Zdecydowanie rozszerzone pojęcie zasady

• Kwas w wyniku odszczepienia protonu staje się zasadą (i odwrotnie – zasada zamienia się w kwas)

• To czy substancja jest kwasem czy zasadą zależy od środowiska reakcji, konkretnie od właściwości drugiej obecnej w układzie pary sprzężonej – wygrywa silniejszy!.

Teoria Bronsteda-Lowry’ego

26

Teoria Lewisa (1923)

• Gilbert Lewis 1875 – 1946 (St. Zjednoczone)

• KWAS – akceptor pary elektronowej

• ZASADA – donor pary elektronowej

• W wyniku reakcji powstają addukt lub kompleks.

kwas zasada

27

Teoria Lewisa

• Przykład reakcji kompleksowania:

Ag+ + 2 :NH3 Ag(NH3)2+.

Fe3+ + 6 :SCN- Fe(SCN)63-.

• Inny przykład:

kwas zasada

kwas zasada

28

Porównanie 3 teorii kwasów i zasad

Definicje kwasu i zasady

Teoria Kwas zasada

Arrhenius Odszczepia H+ Odszczepia OH–

Brønsted-Lowry Donor H+ Akceptor H+

Lewis Akceptor pary

elektronowej

Donor pary

elektronowej

29

Teoria Pearsona (1965)

• Teoria Pearsona – Ralph Pearson (ur. 1919)

• Czy pojęcie kwasu i zasady może służyć do przewidywania biegu reakcji?

• Pearson odpowiedział na to pytanie twierdząco.

• Definicje kwasu i zasady identyczne jak w teorii Lewisa, ale kwasy i zasady klasyfikuje się na TWARDE oraz na MIĘKKIE.

• Stąd bierze się nazwa teorii: HSAB – Twardych i miękkich kwasów i zasad (Hard and Soft Acids and Bases).

30

Teoria Pearsona

• TWARDE KWASY to związki trudno polaryzowalne – małe jony o dużych ładunkach dodatnich.

• MIĘKKIE KWASY to związki łatwo polaryzowalne – duże jony o małych ładunkach (nawet zerowych!)

• TWARDE ZASADY to związki trudno polaryzowalne – małe jony o dużym ładunku ujemnym.

• MIĘKKIE ZASADY to związki łatwo polaryzowalne – duże jony o małych ładunkach (nawet zerowych!)

31

Teoria Pearsona

• Polaryzowalność – podatność na działanie innych jonów prowadzące do deformacji chmury elektronowej otaczającej atom, jon czy cząsteczkę.

32

Twarde i miękkie kwasy i zasady

33

Teoria Pearsona

• Podobnie jak w teorii Lewisa: kwas reaguje z zasadą i powstaje kompleks (albo addukt).

• Jednak dzięki wprowadzeniu rozróżnienia wśród kwasów i wśród zasad teoria HSAB rozwija dotychczasowe spojrzenie na kwas czy zasadę.

• Podstawowe hasło teorii: Twarde kwasy preferują łączenie się z twardymi zasadami, zaś miękkie kwasy z zasadami miękkimi.

34

• Przykład reakcji: do roztworu wprowadzamy jony: K+, S2-, Cd2+, Cl-. Jakie reakcje zajdą w roztworze?

K2S + CdCl2 2KCl + CdS

• Do roztworu zawierającego jony fluorkowe F- oraz jodkowe I- wprowadzam jony srebra Ag+. Z którymi jonami połączą się wprowadzane jony metalu?

Ag+ + I- AgI

Teoria Pearsona

MIĘKKI KWAS MIĘKKA ZASADA

35

Inne teorie kwasów i zasad

• Istnieje ok. 10 teorii kwasów i zasad.

• Dwie mają znaczenie historyczne (Lavoisiera i Liebiga), pozostałe są wykorzystywane w miarę potrzeby.

• Do najpopularniejszych należą teorie Bronsteda i Lowry’ego oraz Lewisa.

• Teoria Arrheniusa nadal jest stosowana ze względu na swoją wygodę.

• Teoria Persona jest bardzo ceniona i ostatnio przeżywa prawdziwy renesans

• Ale to nie wszystko…

36

Nazwa Data Definicja Kwasu Definicja zasady przykł. kwas przykł. zasada

Lavoisiera 1776 tlenki N, P, S reaguje z kwasami SO3 NaOH

Liebiga 1838 H wypierany przez metal reaguje z kwasami HNO3 NaOH

Arrheniusa 1887-94 dysocjuje jony H+ dysocjuje jony OH- HNO3 NaOH

Bronsteda-Lowry’ego

1923 donor protonu akceptor protonu HCl, H3O+ NH3, OH-

Lewisa 1923 akceptor pary elektronowej donor pary elektronowej Fe3+ NH3

Ingolda-Robinsona 1932 elektrofil nukleofil BF3 NH3

Luxa-Flooda 1939 akceptor jonu tlenkowego donor jonu tlenkowego SiO2 CaO

Usanowicza 1939 akceptor elektronu, odszczepia kation, przyłącza anion

donor elektronu, przyłącza kation, odszczepia anion

Cl2 Na

rozpuszczalnikowa lata 1950-te (pom. 1908)

kation rozpuszczalnika anion rozpuszczalnika BrF2+, SO2+ BrF4

-, SO32-

orbitali granicznych lata 1960-te akceptor LUMO donor HOMO BrF3 NH3

Teorie kwasów i zasad

37

Kilka pytań do przemyślenia wykładu

• Czym jest HCl?

• Czy HCl może stać się zasadą?

• Czym jest amoniak NH3?

• Jak poszczególne teorie tłumaczą czym jest jon Fe3+?

• Czym jest NaOH?

38

Podsumowanie

• Istnieje kilka teorii kwasów i zasad.

• Do najważniejszych należą: Arrheniusa, Bronsteda-Lowry’ego, Lewisa.

• Właściwości kwasów i zasad zmieniają się w zależności od środowiska reakcji. Mocny kwas może stać się słabym, a nawet zamienić w zasadę!

• Teoria Persona odpowiada nie tylko na pytanie czym jest kwas lub zasada, ale także pozwala na przewidywanie biegu wielu reakcji chemicznych.

39

Dziękuję za uwagę! Zapraszam na pokazy!