Historische definities van zuren en basen: evolutie, kenmerken en zuur-base reacties

Stoffen met bijzondere eigenschappen van groot praktisch belang zijn al lange tijd bekend en worden gebruikt, en worden nu geïdentificeerd als zuur y basesDit zijn zeer gangbare chemische reagentia, die in staat zijn een groot deel van hun verbindingen te ontwikkelen in waterige mediaen die de mensheid hebben vergezeld sinds de eerste pogingen om stoffen te classificeren op basis van hun smaak, uiterlijk en gedrag.

Er zijn een paar reacties met zuren en basen, ook wel zuur-base reacties genoemd, die bestudeerd worden door de principes van toe te passen chemisch evenwicht naar oplossingen. Bij dit soort processen speelt één stof een centrale rol: de oplosmiddelIn waterige oplossingen wisselen zuren en basen protonen uit met water, daarom worden deze reacties ook wel genoemd: protonuitwisselingsreacties o protolithisch.

Lang voordat de moderne chemie bestond, was al empirisch bekend dat sommige voedingsmiddelen, zoals azijn, citroen of bepaalde vruchten, een bepaalde eigenschap bezaten. zeer kenmerkende zure smaakHet duurde echter eeuwen voordat men de oorzaak van die smaak begreep. Het woord zuur komt van het Latijnse "zuur", wat betekent het zuurEn het laat zien hoe sensorische criteria – met name smaak – de eerste leidraad vormden voor de classificatie van deze stoffen.

Wat zijn zuren?

Vanuit het perspectief van de moderne waterchemie wordt een zuur gedefinieerd als elk chemische verbinding die, wanneer opgelost in water, een oplossing oplevert met een hydroniumkationactiviteit (H₃O⁺) hoger dan die van zuiver water. In termen van de pH-schaal betekent dit dat de zure oplossing een pH lager dan 7.

Elke chemische stof die de volgende eigenschappen vertoont karakteristieke eigenschappen van een zuur (Het vermogen om protonen af ​​te staan, te reageren met basen, indicatoren te modificeren, enz.) wordt genoemd zure stofOns huidige begrip van zuren is in de loop der tijd verfijnd door middel van verschillende theoretische modellen, maar het centrale idee dat het stoffen zijn die "zuurgraad" in een medium genereren of daaraan bijdragen, blijft overeind.

Kenmerken van zuren

Tot de belangrijkste eigenschappen en kenmerken van zuren behoren de volgende, die sensorische, chemische en technologische aspecten omvatten:

• Ze bezitten de kwaliteit van reageren met stoffen die basen worden genoemdwaardoor neutralisatieprocessen ontstaan ​​waarin ze worden gevormd. zouten en waterDit is een van de oudste verbanden die in de chemie zijn waargenomen.
• Veel zuren zijn extreem corrosiefVooral geconcentreerde minerale zuren (zoals zoutzuur, salpeterzuur of zwavelzuur). Deze corrosiviteit is te danken aan hun hoge reactievermogen met metalen, organisch weefsel en tal van andere materialen.
• Ze werken uitstekend. elektrische geleiders in waterige media, omdat ze in oplossing dissociëren in ionen die het transport van elektrische lading door de vloeistof mogelijk maken.
• In veel gevallen is een eigenaardige zure of zure smaakEen klassiek voorbeeld zijn voedingsmiddelen die bevatten Citroenzuurzoals sinaasappels, limoenen, grapefruits of citroenen, en ook het azijnzuur in azijn. Dit sensorische criterium was een van de eerste manieren om zure stoffen te identificeren.
• Ze kunnen reageren met metaaloxiden om zout en water te vormen, een gedrag dat vergelijkbaar is met dat wat ze vertonen ten opzichte van basen, wat hun vermogen aantoont om vaste ionische en covalente verbindingen om te zetten in oplosbare stoffen.
• In sommige gevallen kunnen ze schadelijk voor de gezondheid en produceren huidverbrandingen en ernstige weefselschade. Langdurig contact of blootstelling aan hoge concentraties vereist geschikte beschermingsmiddelen.
• Ze beschikken over het vermogen om produceren zout en moleculaire waterstof (H₂)₂) bij het reageren met bepaalde actieve metalen (zoals zink, magnesium of ijzer), een proces dat gepaard gaat met bruisen en gasvorming.
• Ze bezitten eigenschappen die een sterke invloed hebben op de zuur-base indicatorenzoals fenolftaleïne of lakmoespapier. Een zuur kan fenolftaleïne ontkleuren (waardoor het kleurloos wordt) en is in staat om de lakmoespapier verander van blauw naar rood of oranje tot roodachtige tinten, afhankelijk van de gebruikte indicator.

Deze eigenschappen worden aangevuld door andere die we dankzij de chemische theorie tegenwoordig beter begrijpen: sommige zuren worden beschouwd als sterke zuren omdat ze in water (zoals zoutzuur) vrijwel volledig dissociëren, terwijl andere dat wel doen. zwakke zurenomdat ze slechts gedeeltelijk ioniseren (zoals azijnzuur). Deze mate van dissociatie bepaalt de intensiteit van hun zure gedrag en is cruciaal voor het voorspellen van de uitkomst van hun reacties.

Historisch gezien werden stoffen zoals azijnzuur (azijnzuur), de zoutgeest (zoutzuur), de salpeterzuur (salpeterzuur) en de vitriool Zwavelzuur werd een essentieel hulpmiddel voor alchemisten en protochemici. Het enorme vermogen om materialen op te lossen, waaronder edelmetalen, door middel van mengsels zoals KoningswaterDaardoor werden ze in de chemische praktijk van vroegere tijden zeer waardevolle en symbolische stoffen.

Wat zijn de bases?

De bases staan ​​ook bekend als alcoholen, een term die afkomstig is uit het Arabisch “al-qaly”, gerelateerd aan de plantenas die gebruikt werden voor het maken van zeep en glas. Al deze stoffen worden basen genoemd. stoffen met alkalische eigenschappenDat wil zeggen, ze zijn in staat om met zuren te reageren en zouten te vormen, en in een waterige oplossing produceren ze zouten of verhogen ze de concentratie ervan. hydroxylionen (OH)^-) of van soorten die zich zo gedragen.

Tot de meest voorkomende basen behoren de hydroxiden (bijvoorbeeld NaOH en KOH), die veelvuldig gebruikt zijn en nog steeds worden in laboratoria en de industrie. In de huidige chemische terminologie kan een base op verschillende complementaire manieren worden gedefinieerd, afhankelijk van het theoretische model: als een stof die accepteert protonen (Brønsted-Lowry-model) of als een soort die doneert elektronenparen (Lewis-model). In het veld van waterige oplossingen blijft het echter nuttig om ze te beschrijven als verbindingen die een pH hoger dan 7 wanneer opgelost in water.

Kenmerken van de bases

Robert Boyle en andere baanbrekende chemici identificeerden verschillende fundamentele eigenschappen die het mogelijk maken basen te herkennen en te classificeren. Tot de belangrijkste behoren:

• Ze presenteren meestal een zeepachtig of glad karaktervooral bij het werken met sterke basen in oplossing, zoals natriumhydroxide of kaliumhydroxide.
• Ze worden gekenmerkt door hun bittere smaakDeze eigenschap werd van oudsher geassocieerd met alkaliën die uit as werden gewonnen, hoewel het om veiligheidsredenen niet raadzaam is om geconcentreerde basische stoffen te testen.
• Ze hebben de vermogen om met zuren te reageren, produceren zouten en water in neutralisatiereacties, die een van de pijlers vormen van de studie van de zuur-basechemie.
• Ze kunnen de lakmoespapier verander van rood naar blauwen beïnvloedt veel indicatoren, zoals fenolftaleïne, dat een intense roze kleur krijgt in een basisch medium.
• Veel hydroxiden zijn wateroplosbaarvooral die van alkali- en aardalkalimetalen, wat hun gebruik in industriële en laboratoriumprocessen vergemakkelijkt. Deze waterige oplossingen zijn over het algemeen goed geleiders van elektriciteit vanwege de aanwezigheid van ionen.
• De overgrote meerderheid van deze stoffen is schadelijk voor de menselijke huidOmdat ze weefsels beschadigen door vetten te verzepen en eiwitten af ​​te breken. Sterke basen zoals natriumhydroxide of kaliumhydroxide kunnen zeer ernstige brandwonden veroorzaken.

Tot de oudst bekende bases behoren de saus (natriumcarbonaat) en de potas (kaliumcarbonaat), verkregen uit waterige extracten van as. Deze worden aangevuld met natuurlijke vormen van alkalische bodemszoals kalksteen of krijt (calciumcarbonaat). Met de ontwikkeling van de chemie werden ook andere verbindingen toegevoegd, zoals ammoniak, aanvankelijk beschouwd als een vluchtige alkali, die werd verkregen door de ontbinding van organische stoffen zoals ureum.

Hoewel Boyle en andere grote chemici bij verschillende gelegenheden probeerden uit te leggen waarom zuren en basen zich gedragen zoals ze doen, duurde het lang voordat de eerste volledig geaccepteerde theoretische definities zich vastzetten. Gedurende een groot deel van de geschiedenis werden zuren en basen gedefinieerd op een manier die... cirkelvormigDat wil zeggen, gebaseerd op hoe ze met elkaar reageerden: een stof was zuur als ze reageerde met een bekende base, en basisch als ze sterk reageerde met een bekend zuur.

Zuur-base-reacties

Zuur-base reacties, ook wel bekend als neutralisatiereactiesDit zijn chemische processen waarbij een zuur en een base reageren en als belangrijkste producten produceren: zout en waterDe term 'zout' wordt gebruikt om elke verbinding te beschrijven met ionisch karakter waarvan het kation afkomstig is van een base en het anion van een zuur.

In de context van de waterchemie worden deze reacties begrepen als combinaties van H-ionen.⁺ (of H)₃O⁺) van het zuur met OH-ionen^- vanuit de basis om te vormen watermoleculenIn bredere zin worden ze in modellen zoals het Brønsted-Lowry-model beschreven als processen van protonoverdracht tussen een donor (zuur) en een ontvanger (base).

De neutralisatiereacties In de meeste gevallen zijn ze exothermDat wil zeggen, ze geven energie af in de vorm van warmte. Daarom wordt er een aanzienlijke temperatuurstijging waargenomen wanneer geconcentreerde oplossingen van zuren en basen worden gemengd. Dit wordt "neutralisatie" genoemd, omdat het zuur en de base reageren wanneer ze in de juiste verhoudingen worden gecombineerd. Ze heffen elkaars karakteristieke eigenschappen op.waarbij een oplossing ontstaat met een pH die dicht bij neutraal ligt, afhankelijk van de relatieve sterkte van de reactanten.

Historisch gezien werd de "antagonisme" tussen zuren en basen bijna geïnterpreteerd als een strijd tussen tegengestelde stoffen. Protochemici observeerden dat er een reactie ontstond wanneer een "zuur" in contact werd gebracht met een alkali. tumultueuze reactieDe reactie was vaak heftig en genereerde warmte en zelfs gassen zoals koolstofdioxide wanneer de alkali een carbonaat was. Deze opvallende verschijnselen droegen bij aan het idee dat zuren en basen tot duidelijk verschillende en tegengestelde categorieën behoorden.

Oefening met zuur-base reacties

Om een ​​neutralisatiereactie te illustreren, kan een klassiek laboratoriumexperiment worden uitgevoerd met behulp van een zuur-base titratieEen typische procedure omvat het gebruik van een Erlenmeyerfles met een zoutzuur (HCl) oplossing van bekende of te bepalen concentratie, waaraan een paar druppels van een zuur-base-indicator, zoals fenolftaleïne.

La fenolftaleïne Het is kleurloos in een zuur of licht neutraal medium, maar krijgt een kleur. intens roze in een basismediumDe kleurverandering dient dus als een visueel signaal om het punt te detecteren waarop de oplossing is overgegaan van een overmaat aan zuur naar een lichte overmaat aan base.

Parallel daaraan wordt een buret gevuld met een oplossing van natriumhydroxide (NaOH)die als titrant fungeert. De kraan van de buret wordt voorzichtig en langzaam geopend, waardoor de NaOH-oplossing druppel voor druppel op het zuur in de Erlenmeyerfles kan vallen.

Terwijl de bodem zakt en de kolf voorzichtig wordt geschud, komen de OH-ionen vrij.^- De base reageert met de H+ ionen.⁺ (of H)₃O⁺) van zoutzuur, waardoor water en natriumchloride (NaCl)Dit proces veroorzaakt de de zuurgraad neemt af geleidelijk en dat de pH-verhogingDoor het exotherme karakter van de reactie kan de temperatuur van de oplossing iets stijgen.

Er komt een punt waarop de hoeveelheid toegevoegde basisstof precies de benodigde hoeveelheid is. neutraliseer al het aanwezige zuurOp dat moment, bekend als equivalentiepuntDe volgende druppel toegevoegde base genereert een licht overschot aan OH-radicalen.^- in de oplossing, waardoor de indicator van kleur verandert en roze wordt. Deze kleurverandering is een experimenteel teken dat het gewenste zuur-base-evenwicht is bereikt.

Vanuit kwantitatief oogpunt worden zuur- en baseneutralisatoren in bepaalde verhoudingen geproduceerd. equivalent-equivalentDit betekent dat een equivalent van zuur zal volledig geneutraliseerd worden door een basisequivalent, ongeacht de specifieke aard van elke stof, mits het vermogen ervan om protonen af ​​te staan ​​of op te nemen bekend is.

La massa van één gram equivalent Het wordt bepaald op basis van het type stof en de betrokken reactie. Het berekenen van het gram-equivalent van een zout is niet hetzelfde als het berekenen van dat van een zuur, en het is ook niet hetzelfde voor alle mogelijke reacties, aangezien het aantal overgedragen protonen of betrokken functionele groepen kan variëren. Daarom is de gelijkwaardige berekeningen Ze moeten worden aangepast aan de specifieke context van de reactie.

In het geval van zuren, de molaire massa verdeeld tussen de aantal dissocieerbare waterstofatomen Dit resulteert in de massa van één gram-equivalent van dat zuur. Voor hydroxide-achtige basen wordt het gram-equivalent meestal verkregen door de molaire massa te delen door het aantal OH-groepen^- aanwezig in de formule.

Het volume van de oplossingen die bij een titratie betrokken zijn, wordt weergegeven door de formule: N_a V._a = N_b V._b, waarbij N_a en V_a zijn de normaliteit en het volume zuur, en N_b en V_b Dit zijn de normaliteit en het volume van de basis. Met deze formule kunnen we de hoeveelheid van een oplossing met een bekende concentratie berekenen die nodig is om een ​​andere oplossing, waarvan we de concentratie willen bepalen, volledig te neutraliseren.

Om de berekening uit te voeren normaliteit Voor een zure oplossing in het geval van monoprotische zuren (die één proton afstaan), kan de vereenvoudigde relatie worden gebruikt: normaliteit = molariteitBij meerwaardige zuren of meerfunctionele basen moet rekening worden gehouden met het aantal protonen of OH-groepen.^- beschikbaar per molecuul.

Belang van de zuur-base-reactie

Zuur-base reacties zijn van enorm belang in de chemie en in het dagelijks leven, vooral vanwege hun nut als kwantitatieve analysetechnieken door middel van volumetrische titraties. Deze processen maken een nauwkeurige bepaling van de concentratie van stoffen in oplossingen mogelijk, wat essentieel is in klinische analyselaboratoria, industriële kwaliteitscontrole, waterzuivering, de voedingsmiddelenindustrie en tal van andere technologische gebieden.

In de experimentele praktijk wordt bij zuur-base titraties meestal gebruik gemaakt van een indicatoroplossing Om visueel het punt nabij neutralisatie te identificeren. Deze indicatoren veranderen van kleur binnen een specifiek pH-bereik. Het kiezen van een geschikte indicator vereist kennis van de pH van het equivalentiepunt Selecteer voor elke reactie de indicator waarvan het draaibereik overeenkomt met die waarde.

Naast visuele methoden worden momenteel de volgende methoden gebruikt. elektrochemische methoden voor het monitoren van zuur-base reacties, zoals het gebruik van pH-meters en specifieke elektroden. Deze methoden maken een zeer nauwkeurige detectie mogelijk van het punt waarop neutralisatie optreedt, waarbij de pH-verandering grafisch wordt weergegeven ten opzichte van het toegevoegde volume titrant.

Zuur-base-evenwichten zijn ook essentieel voor het begrijpen van biologische en milieuprocessen: van de handhaving van de pH-waarde van het bloed via buffersystemen tot het gedrag van voedingsstoffen en verontreinigingen in bodem en waterDe chemie van zuren en basen wordt direct toegepast bij het ontwerpen van meststoffen, onder controle van de oceaanverzuringen bij de samenstelling van huishoudelijke producten zoals wasmiddelen, ontkalkers, kalkverwijderaars en maagzuurremmers.

Historisch gezien heeft de studie van neutralisaties chemici geholpen te begrijpen dat reacties plaatsvonden in vaste massaverhoudingendie hebben bijgedragen aan de ontwikkeling van fundamentele wetten zoals wet van de constante verhoudingenHet gebruik van plantenindicatoren zoals viooltjessiroop Het maakte het mogelijk om de circulariteit in de definitie van zuren en basen te doorbreken, omdat het een onafhankelijk referentiepunt bood voor het classificeren van stoffen op basis van hun gedrag.

Soorten zuur-base reacties, ingedeeld naar de sterkte van de reactanten.

Neutralisatiereacties kunnen worden ingedeeld op basis van de relatieve sterkte van het zuur en de base die deelnemen. Deze classificatie is nuttig voor het voorspellen van de pH van de resulterende oplossing en voor het kiezen van de meest geschikte indicator bij een titratie.

Reactie van een zwak zuur en een zwakke base

Bij een reactie tussen een zwak zuur en een zwakke basisNoch het zuur dissocieert volledig om al zijn protonen af ​​te staan, noch ioniseert de base volledig om protonen op te nemen. In dit type systeem, basiskation en zuur anion Ze kunnen lijden hydrolyseDat wil zeggen, gedeeltelijk reageren met water, waardoor de H+-ionenbalans verandert.⁺ en OH^-.

Daardoor zal de pH van de uiteindelijke oplossing afhangen van de zuurconstante (K_a) van het zuur en de basiciteitsconstante (K_b) van de base. Als het zuur zwakker is dan de base, levert het algehele effect van hydrolyse meestal een pH hoger dan 7Omgekeerd geldt dat als de base zwakker is dan het zuur, de pH-waarde lager zal zijn. minder dan 7Deze tussenliggende gevallen vereisen een gedetailleerde analyse van de betrokken balansen.

Reactie tussen een sterke base en een zwak zuur

Wanneer een sterke basis reageert met een zwak zuurDe base dissocieert vrijwel volledig en domineert het evenwichtsgedrag. Onder deze omstandigheden is voornamelijk de anion van een zwak zuur Het ondergaat hydrolyse, waarbij stoffen ontstaan ​​die protonen uit het medium verbruiken en de pH verhogen.

Bij dit type reactie, de pH van de resulterende oplossing Het wordt meestal ingesteld op waarden groter dan 7Dit komt doordat het basische karakter overheerst vanwege het relatieve overschot of effect van de sterke base. Daarom moet de indicator die gekozen wordt voor een titratie van een zwak zuur met een sterke base van kleur veranderen in het basische pH-bereik.

Reactie tussen een zwakke base en een sterk zuur

Bij de reactie tussen een sterk zuur en een zwakke basisDe situatie is omgekeerd. Het zuur dissocieert vrijwel volledig en geeft een groot aantal protonen af ​​aan het medium, terwijl de base slechts gedeeltelijk ioniseert. In deze omgeving, de kation van de zwakke base Het kan hydrolyse ondergaan, waarbij protonen vrijkomen of stoffen worden gestabiliseerd die een zuurder milieu in stand houden.

Als gevolg hiervan is de pH van de uiteindelijke oplossing Het gaat meestal om waarden. minder dan 7met een duidelijke dominantie van het zure karakter. Voor titraties van dit type worden indicatoren gekozen waarvan het overgangsgebied zich in de zure zone van de pH-schaal bevindt.

Om in elk geval de optimale indicator te selecteren, is het essentieel om de te schatten pH van het equivalentiepunt en vergelijk dit met de overgangszone van de indicator. Dit zorgt ervoor dat de kleurverandering samenvalt met de daadwerkelijke neutralisatie, wat resulteert in nauwkeurigere analyseresultaten.

Historische definities van de zuur-base-reactie

Door de geschiedenis heen hebben talloze wetenschappers voorstellen gedaan. Definities van zuren en basen om hun gedrag te verklaren. Elke definitie is ontstaan ​​in een specifieke context van wetenschappelijke, technische en conceptuele ontwikkeling, en de relevantie ervan wordt gemeten aan de hand van het vermogen om reacties, met name neutralisatiereacties, in zowel vloeibare als gasvormige systemen te beschrijven en te voorspellen.

In de beginfase van de scheikunde werden verklaringen gebaseerd op essenties ofwel ongrijpbare 'principes' van zuurgraad, basiciteit en zoutgehalte, geïnspireerd door Aristotelische ideeën. Men geloofde dat materie geen intrinsieke eigenschappen bezat, maar dat deze eigenschappen te danken waren aan abstracte principes die zich met stoffen verbonden of deze van elkaar scheidden. Deze principes konden niet worden geïsoleerd, wat leidde tot de definities van zuren en basen. bijna cirkelvormigEen stof was zuur als deze reageerde met een base en omgekeerd, zonder dat er een onafhankelijke referentie was om die cyclus te doorbreken.

Met de voortgang van experimenten, de introductie van plantindicatoren Het werk van Boyle en anderen maakte het mogelijk om kleurveranderingen als extern criterium te gebruiken, onafhankelijk van de te classificeren stoffen. Deze methodologische verschuiving betekende een cruciale stap naar meer operationele definities van zuurgraad en basiciteit, en effende de weg voor de kwantitatieve en structurele modellen die later zouden worden ontwikkeld.

Definitie van Antoine Lavoisier

Antoine Lavoisier werkte in een tijdperk waarin de kennis over zuren zich voornamelijk richtte op de sterke anorganische zurenen met name in de oxozurendie een centraal atoom in een hoge oxidatietoestand hebben, omringd door zuurstofatomen. Zijn experiment was veel meer gebaseerd op zuren zoals zwavelzuur, salpeterzuur of fosforzuur dan op de waterstofzure zurendie geen zuurstof bevatten.

Op basis van zijn observaties stelde Lavoisier voor dat de zuurstof Hij was het "zuurvormer"bij uitstek." Hiervoor liet hij zich inspireren door het klassieke Grieks en verwerkte dit idee zelfs in de etymologie van het chemische woord voor zuurstof. Volgens zijn theorie is de zuurheid Dit werd verklaard door de aanwezigheid van zuurstof in het molecuul, en de sterkte van een zuur werd in verband gebracht met het aandeel van dit element in de samenstelling ervan.

Dit concept had decennialang een enorme invloed, omdat het het mogelijk maakte het gedrag van veel bekende oxozuren onder één enkel criterium te verenigen. Het bestaan ​​van zuurstofvrije zuren, zoals zoutzuurDe theorie van zuurstofverbindingen die geen zuren waren, bracht tegenstrijdigheden aan het licht die geleidelijk onoverkomelijk werden. De theorie bleef gedurende bijna [een bepaalde periode] invloedrijk. Tot 30 jaartot werken en artikelen die rond die tijd werden gepubliceerd 1810 Ze vertoonden inconsistenties die hen tot heroverweging aanzetten.

Definitie van Liebig

Later raakte de chemicus Justus von Liebig nauw betrokken bij de studie van organische chemie En wat de samenstelling van organische zuren betreft, stelde hij een definitie voor die enkele beperkingen van het zuurstofgecentreerde model overwon. Liebig was van mening dat een zuur was een stof die bevatte waterstof en dat deze waterstof zou kunnen zijn vervangen door een metalen door een passende reactie.

Deze formulering is gebaseerd op criteria empirisch En bij de vergelijkende analyse van vele stoffen concentreerde hij zich op de vermogen om zouten te vormenDe waterstof die door een metaal werd vervangen, werd gezien als een bepalend element van zuurgraad. Ondanks de conceptuele eenvoud ervan was Liebigs definitie uiterst nuttig en bleef deze lange tijd geldig, en vormde een brug tussen zuur gedrag en... structuur van verbindingen.

Deze visie bleek bijzonder krachtig in een tijd waarin theorieën over de valencia en moleculaire structuurDit helpt om de zuurgraad te relateren aan specifieke waterstofposities in het molecuul, die verantwoordelijk zijn voor de reactiviteit ervan en de synthese van nieuwe verbindingen.

Definitie van Arrhenius

Met de opkomst van de theorie van elektrolytische dissociatie Op basis van zijn onderzoek naar elektrische geleiding in oplossingen, stelde Svante Arrhenius een definitie van zuren en basen voor die veel eerdere concepten moderniseerde en vereenvoudigde, met de nadruk op de Iones aanwezig in waterige oplossingen.

Volgens de definitie van Arrhenius is een zuur Het is een stof die, wanneer opgelost in water, verhoogt de concentratie waterstofionen (H⁺), terwijl een baseren Het is een stof die onder dezelfde omstandigheden verhoogt de concentratie van hydroxylionen (OH-).^-)De zuur-base reactie werd vervolgens geïnterpreteerd als de combinatie van H⁺ en OH^- te vormen water, van de dissociatie van zuren en basen in waterige oplossing.

Deze definitie gaf een duidelijke interpretatie van waarom zure en basische oplossingen elektriciteit geleiden: de aanwezigheid van vrije ionen verklaarde de experimenteel waargenomen stromen. Bovendien maakte het een verband mogelijk tussen de sterkte van een zuur of base met zijn dissociatiegraad in water, wat een kwantitatieve basis biedt voor het vergelijken van verbindingen.

Het Arrhenius-raamwerk kent echter aanzienlijke beperkingen. Een daarvan is dat het beperkt is tot waterige media en vereist de expliciete aanwezigheid van H.⁺ en OH^-Dit maakt het moeilijk om de definitie ervan toe te passen op reacties in andere oplosmiddelen dan water of zuur-baseprocessen waarbij deze ionen niet direct betrokken zijn, wat de ontwikkeling van meer algemene modellen motiveerde.

Brønsted-Lowry definitie

Het Brønsted-Lowry-model betekende een kwalitatieve sprong voorwaarts in het begrip van zuur-base-reacties door zich te richten op de protonoverdrachtAfzonderlijk kwamen verschillende chemici tot vergelijkbare conclusies: bij deze benadering, een zuur Het is een stof die in staat is tot doneren protonen (H⁺), terwijl een baseren is datgene wat in staat is tot accepteer ze.

De zuur-base reactie wordt omschreven als een proces waarbij een zuur een proton afstaat om zijn tegenhanger te worden. geconjugeerde baseterwijl de base die proton accepteert en transformeert in zijn geconjugeerd zuurWanneer bijvoorbeeld zoutzuur een proton afstaat aan water, ontstaat de geconjugeerde base Cl₂.^- en het hydroniumion H₃O⁺die op zijn beurt fungeert als het geconjugeerde zuur van de base water.

Deze benadering biedt verschillende voordelen ten opzichte van de definitie van Arrhenius. Ten eerste is deze niet beperkt tot waterige media, maar kan worden toegepast op andere oplosmiddelen en zelfs aan gasfase reactiesTen tweede stelt het ons in staat om zuur-base-reacties te beschrijven waarbij niet noodzakelijkerwijs water wordt gevormd en waarbij protonen rechtstreeks van de ene soort naar de andere overgaan.

De Brønsted-Lowry-definitie introduceert een belangrijke conceptuele verandering door te stellen dat zuurgraad en basiciteit relatieve eigenschappenafhankelijk van het evenwicht tussen een specifiek zuur en een specifieke base en hun geconjugeerde soorten. Zo kan men spreken van krachtserie van zuren en basen, en van evenwichten waarin de positie afhangt van de relatieve affiniteiten voor het proton.

Lewis-definitie

Gilbert N. Lewis formuleerde een van de meest algemene definities van zuren en basen, gebaseerd op het gedrag van elektronen in chemische reacties. In zijn model, een Lewis' basis Het is een soort die in staat is tot een elektronenpaar donerenterwijl een Lewis-zuur Het is een soort die in staat is tot accepteer dat elektronenpaar.

Deze formulering vereist geen aanwezigheid van protonen of specifieke oplosmiddelen. De metaalionen met lege orbitalenZe kunnen bijvoorbeeld fungeren als Lewis-zuren, terwijl moleculen met vrije elektronenparen (zoals ammoniak, water of halogeniden) fungeren als Lewisbasen. Wanneer de reactie plaatsvindt, coördinatie-covalente binding door het elektronenpaar te delen dat door de base is afgestaan.

Dit perspectief breidt het domein van de zuur-basechemie aanzienlijk uit en omvat onder meer: coördinatiereactiesProcessen in niet-waterige systemen en veel organische en anorganische transformaties passen niet goed in de Arrhenius- of Brønsted-Lowry-modellen. Vanuit Lewis' perspectief kan de bekende vorming van water worden begrepen als de combinatie van een Lewis-zuur (het proton) met een Lewis' basis (het elektronenpaar van zuurstof in het watermolecuul).

De theorie van Lewis integreert en generaliseert veel aspecten van de Brønsted-Lowry-theorie en het concept van oplossingssysteem, waarmee een gemeenschappelijke taal wordt geboden om reacties te beschrijven waarbij elektronen in plaats van protonen worden uitgewisseld, en die niet noodzakelijkerwijs de vorming van klassieke zouten met zich meebrengen.

Pearson-definitie (hard-zacht zuur-base)

De theorie van harde en zachte zuren en basen (ABDB) werd voorgesteld om trends in reacties beter te verklaren en te voorspellen. metathesis en coördinatieprocessen, met name in de anorganische chemie. Ralph Pearson stelde voor om zuren en basen te classificeren op basis van hun "hardheid" of "zachtheid", concepten die betrekking hebben op eigenschappen zoals grootte van de soort, Van oxidatietoestand en polariseerbaarheid.

In deze context wordt het beschouwd als “zacht"naar relatief grote soorten, met lage oxidatietoestanden y sterk polariseerbaar. Zijn "moeilijk"kleine soorten, met hoge oxidatietoestanden en een lage polariseerbaarheid. De fundamentele empirische regel van deze theorie luidt dat Harde zuren hebben de neiging om zich bij voorkeur te binden aan harde basen., terwijl zachte zuren affiniteit tonen voor zachte onderstellen.

Deze aanpak is erg nuttig in de coördinatiechemie, bij het ontwerp van katalysatoren En het helpt bij het voorspellen van producten in reacties waarbij meerdere combinaties mogelijk zijn. Zo kunnen we bijvoorbeeld voorspellen welke liganden het sterkst aan een bepaald metaalkation zullen binden, of welke combinaties het meest stabiel zullen zijn in de context van industriële of milieuprocessen.

Hoewel het voornamelijk gebaseerd is op overwegingen kwalitatiefDe theorie van Pearson biedt een zeer waardevol kader voor het interpreteren van trends in reactiviteit, selectiviteit y stabiliteit van complexenHet is ook uitgebreid naar de evaluatie van het gedrag van energetische en explosieve materialen, waarbij interacties tussen harde en zachte zuren en basen hun gevoeligheid en prestaties kunnen beïnvloeden.

Definitie van Usanovich

Mikhail Usanovich stelde een uiterst algemene definitie van zuren en basen voor, die een zeer breed scala aan chemische reacties omvatte. In zijn opvatting was een zuur een basenpaar. zuur is elke stof die in staat is tot negatieve soorten accepteren (zoals anionen of elektronen) of van doneer positieve soorten (als kationen), terwijl een baseren Het is elke stof die het tegenovergestelde doet: accepteert positieve soorten o negatieve soorten doneren.

Deze formulering is zo breed dat ze niet alleen traditionele zuur-base-reacties omvat, maar ook vele processen van oxidatie-reductie (redox)In de praktijk overlapt de zuur-base reactie in de zin van Usanovich met de redoxreactie, waardoor de grens tussen beide erg vaag is. Dit gebrek aan een duidelijke scheiding is een van de redenen waarom de definitie niet breed is overgenomen in het basisonderwijs, ondanks de aanzienlijke conceptuele waarde ervan.

Hoewel veel zuur-base-theorieën zich richten op de het vormen en verbreken van banden covalent of coördinatief, de definitie van Usanovich benadrukt, net als sommige redoxbenaderingen, de fysieke overdracht van lasten (ionen of elektronen). Dit perspectief is nuttig in bepaalde gebieden van de theoretische chemie, maar minder praktisch wanneer men een eenvoudige operationele classificatie voor algemeen gebruik zoekt.

Definitie van Lux-Flood

In specifieke contexten zoals de geochemie en elektrochemie van gesmolten zoutenDe Lux-Flood-definitie wordt gebruikt om zuur-basegedrag te beschrijven in afwezigheid van water en vrije protonen. Deze theorie werd voorgesteld door Hermann Lux en later verder ontwikkeld en gepopulariseerd door Håkon Flood, wat resulteerde in een model dat met name relevant is voor ionische systemen bij hoge temperaturen.

Volgens deze definitie is een baseren is een oxide anion donor (O^2-)terwijl een zuur is een oxide anion acceptorBij de reacties die met deze aanpak worden bestudeerd, is de uitwisseling van oxide-anionen tussen ionische soorten de sleutel tot het begrijpen van de richting van de processen en de stabiliteit van de aanwezige fasen.

De definitie van Lux-Flood is met name nuttig voor het interpreteren van reacties in oxide smelt, In de mineraalvorming binnen de aardkorst en in de metaalbewerking door middel van elektrolyse in gesmolten zouten. Hoewel dit wellicht erg specialistisch lijkt, laat het zien hoe het concept van zuurgraad en basiciteit kan worden aangepast aan omgevingen waar de rol van water irrelevant of afwezig is.

Definitie van oplosmiddelsysteem

Het model van oplossingssysteem Dit is een generalisatie van de Arrhenius-definitie naar andere media dan water. Deze benadering gaat ervan uit dat veel oplosmiddelen soorten bevatten. solvoniumkationen y solvonium anionenin evenwicht met de neutrale moleculen van het oplosmiddel zelf.

In het oplossingssysteem wordt het gedefinieerd als zuur naar een opgeloste stof die een toename van de concentratie van solvoniumkationen of afname van solvoniumanionenBovendien een baseren Het is een opgeloste stof die een oorzaak is toename van solvoniumanionen of afname van solvoniumkationenHet zure of basische gedrag van een stof hangt dus niet alleen af ​​van de aard ervan, maar ook van de betonoplosmiddel waar het zich bevindt.

Dit model verklaart waarom dezelfde stof zich op verschillende manieren kan manifesteren. verschillende gedragingen Afhankelijk van het medium kan het in het ene oplosmiddel als zuur en in het andere als base fungeren. Bovendien maakt het de bestudering van zuur-base-reacties mogelijk in systemen waar geen water bij betrokken is, zoals in polaire organische oplosmiddelen of gespecialiseerde ionische media.

De definitie van het oplossingssysteem benadrukte het belang van het in overweging nemen van de chemische omgeving en niet alleen de intrinsieke structuur van de opgeloste stoffen, die cruciaal is gebleken voor de ontwikkeling van nieuwe synthetische en analytische methoden in de moderne chemie.

Het is opvallend hoe chemici uit zeer verschillende tijdperken en contexten door de geschiedenis heen voorstellen hebben gedaan. verschillende definities over hetzelfde fenomeen. Deze theorieën zijn verre van tegenstrijdig, maar eerder doorgaans complementairElk ervan is aangepast aan een specifiek toepassingsgebied. Samen hebben ze het mogelijk gemaakt een veel completer beeld te schetsen van wat zuren en basen zijn, hoe ze zich verhouden tot de structuur van materie en hoe ze een groot aantal fundamentele reacties in de natuur en in de menselijke technologie beheersen.