Kwas i zasada dwa pojęcia, wiele znaczeń. dr Paweł Urbaniak ACCH, Łódź,

Transkrypt

1 Kwas i zasada dwa pojęcia, wiele znaczeń dr Paweł Urbaniak ACCH, Łódź,

2 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

3 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

4 SVANTE AUGUST ARRHENIUS Svante Arrhenius ( ) (Szwecja) Laureat Nagrody Nobla 1903 r. 4

5 SVANTE AUGUST ARRHENIUS Svante Arrhenius (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

6 Teoria Arrheniusa (1887) KWAS związek, który odszczepia jon wodorowy H +. Kwasy barwią papierek lakmusowy na czerwono. 6

7 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

8 Teoria Arrheniusa Przykładowe kwasy Nazwa Wzór Chlorowodorowy HCl Azotowy (V) HNO 3 Siarkowy (VI) H 2 SO 4 Fosforowy H 3 PO 4 Etanowy CH 3 COOH Azotowy (III) HNO 2 Przykłady dysocjacji kwasów: HNO 3 H + + NO 3-. HNO 2 H + + NO 2-. H 2 CO 3 H + + HCO 3-. HCO - 3 H + + CO 2-3. Węglowy H 2 CO 3 8

9 Teoria Arrheniusa Nie wszystkie atomy wodoru ulegają odszczepieniu (dysocjacji): NIE ULEGA DYSOCJACJI ULEGA DYSOCJACJI CH 3 COOH CH 3 COO - + H +. 9

10 Teoria Arrheniusa ZASADA związek, który odszczepia jon wodorotlenowy OH -. Zasady barwią papierek lakmusowy na niebiesko 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

11 Teoria Arrheniusa Przykład reakcji dysocjacji zasady: WODOROTLENEK SODU JON SODOWY JON WODOROTLENOWY 11

12 Teoria Arrheniusa W reakcji kwasu i zasady powstaje sól i woda. Teoria bardzo dobrze tłumaczy, dlaczego ciepło zobojętniania ma stałą wartość (57,27 kj/mol): HNO 3 H + + NO 3-. KOH K + + OH -. HNO 3 + KOH KNO 3 + H 2 O H + + OH - H 2 O HClO 4 H + + ClO 4-. NaOH Na + + OH -. HClO 4 + NaOH NaClO 4 + H 2 O H + + OH - H 2 O 12

13 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 NH 3 barwi papierek lakmusowy tak samo jak roztwór NaOH? 13

14 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

15 Skala ph Soren Peter Sorensen ( ) (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/dm 3. ph < 7 roztwory z przewagą jonów H + - kwasowe ph > 7 roztwory z przewagą jonów OH - - zasadowe 15

16 ph przykładowych roztworów 16

17 Wskaźniki ph 17

18 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 (Dania) Thomas Martin Lowry (Anglia) 18

19 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 woda jon hydroniowy jon chlorkowy 19

20 Teoria Bronsteda-Lowry ego 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 amoniak woda jon amonowy Jon hydroksylowy 20

21 Teoria Bronsteda-Lowry ego 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 Kwas Przykłady par sprzężonych HCl Cl Zasada H 2 SO 4 HSO 4 H 3 O + H 2 O HSO 4 SO 4 2 CH 3 COOH CH 3 COO H 2 CO 3 HCO 3 HCO 3 CO 2 3 NH 4 + NH 3 H 2 O OH 21

22 KWAS ZASADA Najmocniejszy HClO 4 ClO - 4 Najsłabsza Kwas H 2 SO 4 HSO - 4 zasada HI I - HBr Br - HCl Cl - HNO 3 NO - 3 H 3 O + H 2 O HSO 4 - SO 4 2- H 2 SO 3 HSO 3 - H 3 PO 4 H 2 PO 4 - HNO 2 NO 2 - HF F - CH 3 CO 2 H CH 3 CO 2 - H 2 CO 3 HCO 3 - H 2 S HS - NH 4 + NH 3 HCN CN - HCO 3 - CO 3 2- HS - S 2- H 2 O OH - Najsłabszy NH 3 NH 2 - Najmocniejsza Kwas OH - O 2- zasada 22

23 Teoria Bronsteda-Lowry ego W obecności substancji o silniejszych właściwościach kwasowych, woda będzie pełnić rolę zasady, zamieniając się w kwas. HCl + H 2 O H 3 O + + Cl -. kwas zasada kwas zasada W obecności substancji o słabszych właściwościach kwasowych, woda będzie pełnić rolę kwasu, zamieniając się w zasadę. NH 3 + H 2 O NH OH -. zasada kwas kwas zasada 23

24 Teoria Bronsteda-Lowry ego Inne ciekawe przykłady: NaHCO 3 Na + + HCO 3 - HCO H 2 O CO H 3 O +. kwas zasada zasada kwas Stały NaOH ulega w wodzie dysocjacji na jony: NaOH Na + + OH -. Rozpada się na jony bardzo słabego kwasu Na + oraz bardzo mocnej zasady OH -. 24

25 Teoria Bronsteda-Lowry ego Dlaczego jony metali są kwasami? Bo ulegają w wodzie hydratacji. Powstają kompleksy, które mogą odszczepiać proton: Fe(H 2 O) 6 3+ Fe(H 2 O) 5 (OH) 2+ + H +. kwas sprzężona zasada 25

26 Teoria Bronsteda-Lowry ego 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!. 26

27 Teoria Lewisa (1923) Gilbert Lewis (St. Zjednoczone) KWAS akceptor pary elektronowej ZASADA donor pary elektronowej kwas zasada W wyniku reakcji powstają addukt lub kompleks. 27

28 Teoria Lewisa Przykład reakcji kompleksowania: kwas zasada Ag :NH 3 Ag(NH 3 ) 2+. Fe :SCN - Fe(SCN) 3-6. Inny przykład: kwas zasada 28

29 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

30 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

31 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

32 Teoria Pearsona Polaryzowalność podatność na działanie innych jonów prowadzące do deformacji chmury elektronowej otaczającej atom, jon czy cząsteczkę. 32

33 Twarde i miękkie kwasy i zasady 33

34 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

35 Teoria Pearsona Przykład reakcji: do roztworu wprowadzamy jony: K +, S 2-, Cd 2+, Cl -. Jakie reakcje zajdą w roztworze? K 2 S + CdCl 2 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 MIĘKKI KWAS MIĘKKA ZASADA 35

36 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

37 Nazwa Data Definicja Kwasu Definicja zasady przykł. kwas przykł. zasada Lavoisiera 1776 tlenki N, P, S reaguje z kwasami SO 3 NaOH Liebiga 1838 H wypierany przez metal reaguje z kwasami HNO 3 NaOH Arrheniusa dysocjuje jony H + dysocjuje jony OH - HNO 3 NaOH Bronsteda- Lowry ego 1923 donor protonu akceptor protonu HCl, H 3 O + NH 3, OH - Lewisa 1923 akceptor pary elektronowej donor pary elektronowej Fe 3+ NH 3 Ingolda-Robinsona 1932 elektrofil nukleofil BF 3 NH 3 Luxa-Flooda 1939 akceptor jonu tlenkowego donor jonu tlenkowego SiO 2 CaO Usanowicza 1939 akceptor elektronu, odszczepia kation, przyłącza anion rozpuszczalnikowa lata 1950-te (pom. 1908) Teorie kwasów i zasad donor elektronu, przyłącza kation, odszczepia anion kation rozpuszczalnika anion rozpuszczalnika BrF 2+, SO 2+ BrF 4-, SO 3 2- orbitali granicznych lata 1960-te akceptor LUMO donor HOMO BrF 3 NH 3 Cl 2 Na 37

38 Kilka pytań do przemyślenia wykładu Czym jest HCl? Czy HCl może stać się zasadą? Czym jest amoniak NH 3? Jak poszczególne teorie tłumaczą czym jest jon Fe 3+? Czym jest NaOH? 38

39 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

40 Dziękuję za uwagę! Zapraszam na pokazy!