Теория Брёнстеда-Лоури (также называемая протонной теорией кислот и оснований [1] ) представляет собой теорию кислотно-основных реакций , которая была впервые разработана Йоханнесом Николаусом Брёнстедом и Томасом Мартином Лоури независимо в 1923 году. [2] [3] Основная концепция Суть этой теории состоит в том, что когда кислота и основание реагируют друг с другом, кислота образует сопряженное основание , а основание образует сопряженную кислоту путем обмена протона (катиона водорода, или Н + ). Эта теория обобщает теорию Аррениуса .
В теории Аррениуса кислоты определяются как вещества, которые диссоциируют в водных растворах с образованием H + (ионы водорода или протоны ), тогда как основания определяются как вещества, которые диссоциируют в водных растворах с образованием OH- ( ионы гидроксида). [4]
В 1923 году физико-химики Иоганнес Николаус Бренстед в Дании и Томас Мартин Лоури в Англии независимо друг от друга предложили теорию, названную в их честь. [5] [6] [7] В теории Брёнстеда-Лоури кислоты и основания определяются по тому, как они реагируют друг с другом, обобщая их. Лучше всего это иллюстрируется уравнением равновесия.
Для кислоты HA уравнение можно символически записать так:
Знак равновесия ⇌ используется потому, что реакция может протекать как в прямом, так и в обратном направлении (обратима). Кислота HA является донором протона , который может потерять протон и стать сопряженным основанием A - . Основание B является акцептором протона , которое может стать сопряженной с ним кислотой HB + . Большинство кислотно-основных реакций протекают быстро, поэтому вещества, участвующие в реакции, обычно находятся в динамическом равновесии друг с другом. [8]
Рассмотрим следующую кислотно-основную реакцию:
Уксусная кислота , CH 3 COOH , является кислотой, потому что она отдает протон воде ( H 2 O ) и становится сопряженным с ней основанием, ацетат -ионом ( CH 3 COO - ). H 2 O является основанием, поскольку он принимает протон от CH 3 COOH и становится сопряженной с ним кислотой, ионом гидроксония ( H 3 O + ). [9]
Обратная кислотно-основная реакция также является кислотно-основной реакцией между кислотой, сопряженной с основанием в первой реакции, и кислотой, сопряженной с основанием кислоты. В приведенном выше примере этаноат является основанием обратной реакции, а ион гидроксония — кислотой.
Одной из особенностей теории Брёнстеда-Лоури в отличие от теории Аррениуса является то, что для диссоциации не требуется кислота.
Суть теории Брёнстеда-Лоури состоит в том, что кислота является таковой только по отношению к основанию, и наоборот . Вода амфотерна , поскольку может действовать как кислота или основание. На изображении справа одна молекула H 2 O действует как основание и приобретает H + , превращаясь в H 3 O + , тогда как другая действует как кислота и теряет H +, превращаясь в OH - .
Другой пример иллюстрируют такие вещества , как гидроксид алюминия Al(OH) 3 .
Ион водорода или ион гидроксония представляет собой кислоту Бренстеда-Лоури при растворении в H 2 O, а гидроксид-ион является основанием из-за реакции саморазделения.
Аналогичная реакция происходит с жидким аммиаком.
Таким образом, ион аммония NH+4, в жидком аммиаке соответствует иону гидроксония в воде и иону амида, NH−2в аммиаке к гидроксид-иону в воде. Соли аммония ведут себя как кислоты, а амиды — как основания. [10]
Некоторые неводные растворители могут вести себя как основания, т. е. принимать протоны, по отношению к кислотам Бренстеда-Лоури.
где S обозначает молекулу растворителя. Наиболее важными из таких растворителей являются диметилсульфоксид ДМСО и ацетонитрил CH 3 CN , поскольку эти растворители широко используются для измерения констант кислотной диссоциации углеродсодержащих молекул. Поскольку ДМСО сильнее принимает протоны, чем H 2 O , кислота в этом растворителе становится сильнее, чем в воде. [11] Действительно, многие молекулы ведут себя как кислоты в неводных растворах, но не в водных растворах. Крайний случай имеет место с угольными кислотами , где протон отрывается от связи CH . [ нужна страница ]
Некоторые неводные растворители могут вести себя как кислоты. Кислый растворитель сделает растворенные вещества более основными. Например, соединение CH 3 COOH известно как уксусная кислота , поскольку в воде оно ведет себя как кислота. Однако он ведет себя как основание в жидком хлористом водороде , гораздо более кислом растворителе. [12]
В том же году, когда Брёнстед и Лоури опубликовали свою теорию, Г. Н. Льюис создал альтернативную теорию кислотно-основных реакций. Теория Льюиса основана на электронной структуре . Основание Льюиса — это соединение, которое может отдавать электронную пару кислоте Льюиса , соединение, которое может принимать электронную пару. [13] [14] Предложение Льюиса объясняет классификацию Брёнстеда-Лоури с использованием электронной структуры.
В этом представлении как основание B, так и сопряженное основание A − показаны несущими неподеленную пару электронов, и между ними переносится протон, который представляет собой кислоту Льюиса.
Позже Льюис писал: «Ограничение группы кислот теми веществами, которые содержат водород, так же серьезно мешает систематическому пониманию химии, как и ограничение термина « окислитель» веществами, содержащими кислород ». [14] В теории Льюиса кислота A и основание B образуют аддукт AB , где электронная пара образует дативную ковалентную связь между A и B. Это показано, когда аддукт H 3 N-BF 3 образует из аммиака и трифторида бора — реакция, которая не может происходить в воде, поскольку трифторид бора бурно реагирует с водой в реакции гидролиза.
Эти реакции иллюстрируют, что BF 3 является кислотой как в классификации Льюиса, так и в классификации Брёнстеда-Лоури, и показывают, что обе теории согласуются друг с другом. [ нужна цитата ]
Борную кислоту называют кислотой Льюиса из-за реакции
В этом случае кислота не распадается, а основание H 2 O. Раствор B(OH) 3 является кислым, поскольку в этой реакции выделяются ионы водорода.
Имеются убедительные доказательства того, что разбавленные водные растворы аммиака содержат незначительные количества ионов аммония.
и что при растворении в воде аммиак действует как основание Льюиса. [15]
Реакции между оксидами в твердом или жидком состоянии исключены теорией Брёнстеда-Лоури. Например, реакция
не входит в определение кислот и оснований Бренстеда-Лоури. С другой стороны, оксид магния действует как основание при реакции с водным раствором кислоты.
Было предсказано , что растворенный SiO 2 диоксид кремния является слабой кислотой в смысле Бренстеда-Лоури. [16]
Согласно теории Люкса-Флада , оксиды типа MgO и SiO 2 в твердом состоянии можно называть кислотами или основаниями. Например, минерал оливин может быть известен как соединение основного оксида MgO и диоксида кремния SiO 2 как кислотного оксида. Это важно для геохимии .