Οξέα & Βάσεις κατά Brønsted–Lowry
Πρωτονιοδότες, πρωτονιοδέκτες, συζυγή ζεύγη
Πώς «σβήνει» ένα αντιόξινο το κάψιμο στο στομάχι;
Το στομάχι σου περιέχει υδροχλωρικό οξύ. Όταν «καίει», ένα αντιόξινο με όξινο ανθρακικό νάτριο () δίνει ιόντα που αρπάζουν πρωτόνια: , και το διασπάται σε και — από εκεί και το ρέψιμο! Κάθε αντίδραση οξέος–βάσης είναι στην ουσία ένα πάσο πρωτονίου.
Η θεωρία Brønsted–Lowry
Κατά Brønsted–Lowry:
- Οξύ είναι η ουσία που μπορεί να δώσει ένα πρωτόνιο () — πρωτονιοδότης
- Βάση είναι η ουσία που μπορεί να δεχθεί ένα πρωτόνιο — πρωτονιοδέκτης
Η αντίδραση οξέος–βάσης είναι λοιπόν μια μεταφορά πρωτονίου, και μπορεί να γίνει και εκτός υδατικών διαλυμάτων. Παράδειγμα: στην το δίνει (οξύ) και το νερό το δέχεται (βάση). Στην το νερό δίνει , άρα δρα ως οξύ!
Ο Δανός Johannes Brønsted και ο Άγγλος Thomas Lowry πρότειναν τη θεωρία τους ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλον, την ίδια χρονιά (1923). Με αυτήν το νερό έπαψε να είναι απλός «διαλύτης-θεατής»: είναι ταυτόχρονα οξύ και βάση, ανάλογα με το ποιος είναι απέναντί του.
Συζυγή ζεύγη και αμφιπρωτικές ουσίες
Όταν ένα οξύ δώσει το πρωτόνιό του, αυτό που απομένει () είναι η συζυγής βάση του. Οξύ και συζυγής βάση διαφέρουν ακριβώς κατά ένα : , , .
Σε κάθε πρωτολυτική ισορροπία συμμετέχουν δύο συζυγή ζεύγη. Στην τα ζεύγη είναι και .
Ουσίες όπως το και το , που μπορούν άλλοτε να δώσουν και άλλοτε να δεχθούν πρωτόνιο, λέγονται αμφιπρωτικές — ο ρόλος τους κρίνεται από τον «συμπαίκτη» τους.
Ισχύει επίσης η αντιστρόφως ανάλογη σχέση ισχύος: όσο ισχυρότερο ένα οξύ, τόσο ασθενέστερη η συζυγής του βάση (και αντίστροφα).
Τα συζυγή είναι «δίδυμα με διαφορά ενός πρωτονίου». Για τη συζυγή βάση: σβήσε ένα και κατέβασε το φορτίο κατά 1 (). Για το συζυγές οξύ: πρόσθεσε ένα και ανέβασε το φορτίο κατά 1 (). Αν άλλαξαν δύο ή ένα , δεν είναι συζυγή.
Ποιο είναι το συζυγές οξύ της αμμωνίας ;
Προς τα πού «γέρνει» μια πρωτολυτική ισορροπία
Σε κάθε αντίδραση οξέος–βάσης συναγωνίζονται δύο οξέα (ένα σε κάθε πλευρά) για να δώσουν το πρωτόνιο τους. Η ισορροπία είναι μετατοπισμένη προς την πλευρά του ασθενέστερου οξέος και της ασθενέστερης βάσης:
Π.χ. στην το είναι πολύ ισχυρότερο οξύ από το , γι' αυτό ο ιοντισμός είναι πρακτικά πλήρης. Αντίστροφα, αν ξέρουμε προς τα πού είναι μετατοπισμένη μια ισορροπία, μπορούμε να συγκρίνουμε την ισχύ των δύο οξέων (και των δύο βάσεων) που συμμετέχουν.
Παρακολούθησε τη «ροή» πρωτονίων μέσα στο διάλυμα: το οξύ στέλνει $H^+$ προς τη βάση που το παραλαμβάνει. Άλλαξε τον συνδυασμό ουσιών και δες ότι «οξύ» και «βάση» είναι ρόλοι σε μια μεταφορά πρωτονίου — το νερό παίζει και τους δύο.
Μέθοδος: ανάλυση μιας αντίδρασης οξέος–βάσης
- Για κάθε αντιδρών, δες αν χάνει (οξύ) ή κερδίζει (βάση), συγκρίνοντας με τα προϊόντα.
- Σχημάτισε τα δύο συζυγή ζεύγη: κάθε ζεύγος έχει ένα σώμα αριστερά και ένα δεξιά, που διαφέρουν κατά ένα (και κατά μία μονάδα φορτίου).
- Γράψε κάθε ζεύγος ως οξύ / συζυγής βάση (π.χ. ).
- Αν δίνονται ή η θέση της ισορροπίας, εφάρμοσε τον κανόνα: η ισορροπία γέρνει προς το ασθενέστερο οξύ και την ασθενέστερη βάση.
Άσκηση: Να δειχθεί ότι το είναι αμφιπρωτικό και να βρεθούν τα συζυγή ζεύγη σε κάθε περίπτωση.
Λύση:
Ως οξύ (δίνει στο νερό):
Ζεύγη: και .
Ως βάση (δέχεται από το νερό):
Ζεύγη: και . Το άλλοτε χάνει και άλλοτε κερδίζει πρωτόνιο — αμφιπρωτική ουσία.
Άσκηση: Δίνονται και . Προς τα πού είναι μετατοπισμένη η ισορροπία ;
Λύση: Τα συζυγή ζεύγη είναι και .
- Οξέα: αριστερά το , δεξιά το . Επειδή , το είναι το ισχυρότερο οξύ.
- Βάσεις: αριστερά το , δεξιά το . Η συζυγής βάση του ασθενέστερου οξέος () είναι η ισχυρότερη βάση.
Άρα αριστερά βρίσκονται το ισχυρότερο οξύ και η ισχυρότερη βάση: η ισορροπία είναι μετατοπισμένη προς τα δεξιά, προς το και το .
Θέμα τύπου Πανελλαδικών: Δίνεται η ισορροπία , η οποία είναι μετατοπισμένη προς τα δεξιά.
Ζητούμενα: (α) τα συζυγή ζεύγη και ο ρόλος κάθε σώματος, (β) ποιο είναι ισχυρότερο οξύ, το ή το , (γ) ποια είναι ισχυρότερη βάση, η ή το .
Λύση:
(α) Το δίνει και γίνεται : οξύ. Το δέχεται και γίνεται : βάση. Ζεύγη: και . Στην αντίστροφη κατεύθυνση το δρα ως οξύ και η ως βάση.
(β) Η ισορροπία γέρνει προς το ασθενέστερο οξύ, που βρίσκεται δεξιά: το . Άρα το είναι ισχυρότερο οξύ από το .
(γ) Αντίστοιχα, η ασθενέστερη βάση είναι δεξιά (), άρα το είναι ισχυρότερη βάση από την .
Απάντηση: Ισχυρότερο οξύ το , ισχυρότερη βάση το — σε συμφωνία με τον κανόνα «ισχυρότερο οξύ ↔ ασθενέστερη συζυγής βάση».
Ποια είναι η συζυγής βάση του ;
Στην ισορροπία το νερό δρα ως:
Ποιο από τα παρακάτω σωματίδια είναι αμφιπρωτικό;
Το είναι από τα ισχυρότερα γνωστά οξέα. Άρα το ιόν είναι:
Για να βρεις συζυγή ζεύγη, ψάξε ουσίες που διαφέρουν ακριβώς κατά ένα (και κατά μία μονάδα φορτίου). Σε κάθε εξίσωση πρωτόλυσης υπάρχουν πάντα δύο τέτοια ζεύγη — ένα σε κάθε «διαγώνιο».
γιατί το ξίδι δεν πρέπει να συναντήσει κυανιούχα. Δίνονται , , . (α) Κατάταξε τις βάσεις , , κατά αυξανόμενη ισχύ. (β) Προς τα πού είναι μετατοπισμένες οι ισορροπίες:
(1)
(2)
Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση
(α) Ισχύς οξέων: . Όσο ισχυρότερο το οξύ, τόσο ασθενέστερη η συζυγής βάση, άρα: .
(β) Κοιτάμε ποιο οξύ είναι ισχυρότερο σε κάθε πλευρά:
- (1) Αριστερά , δεξιά . Ισχυρότερο το → μετατόπιση δεξιά: το ξίδι «σπρώχνει» πρωτόνια στο και σχηματίζεται — ένα πολύ τοξικό αέριο. Γι' αυτό τα κυανιούχα άλατα δεν πρέπει ποτέ να έρθουν σε επαφή με οξέα.
- (2) Αριστερά , δεξιά . Ισχυρότερο το → μετατόπιση αριστερά: το είναι πολύ ασθενής βάση για να «κλέψει» πρωτόνιο από το .
Απάντηση: · η (1) προς τα δεξιά, η (2) προς τα αριστερά. Κανόνας: η ισορροπία γέρνει πάντα προς το ασθενέστερο οξύ.
- Ζεύγη που διαφέρουν κατά ή κατά . Το και το δεν είναι συζυγή — διαφέρουν κατά δύο πρωτόνια.
- Λάθος φορά. Συζυγής βάση = οξύ μείον · συζυγές οξύ = βάση συν .
- «Το νερό είναι πάντα βάση.» Είναι αμφιπρωτικό: με δρα ως βάση, με ως οξύ.
- «Ισχυρό οξύ → ισχυρή συζυγής βάση». Ισχύει το αντίθετο: όσο ισχυρότερο το οξύ, τόσο ασθενέστερη η συζυγής βάση.
- Brønsted–Lowry: οξύ = πρωτονιοδότης, βάση = πρωτονιοδέκτης· η αντίδραση είναι μεταφορά .
- Συζυγές ζεύγος: διαφέρει ακριβώς κατά ένα (, )· σε κάθε πρωτολυτική ισορροπία υπάρχουν δύο ζεύγη.
- Αμφιπρωτικά: , , , — ο ρόλος κρίνεται από τον «συμπαίκτη».
- Όσο ισχυρότερο το οξύ, τόσο ασθενέστερη η συζυγής βάση.
- Η ισορροπία γέρνει προς το ασθενέστερο οξύ και την ασθενέστερη βάση.