تعریف اسید و باز

بشر از قدیم با اسید و باز سر و کار داشته است و مزه ترش و دیگر خواص اسیدهایی مانند جوهر سرکه (استیک اسید) و جوهر لیمو (سیتریک اسید) را تجربه کرده است. از دیر زمان اسید را ترکیب هیدروژنی می دانستند که می تواند به طور کامل و یا جزیی توسط بعضی فلزها جایگزین شود و نمک تشکیل دهد برای مثال در واکنش زیر، HCl به عنوان اسید شناخته می‌شود زیرا فلز جایگزین هیدروژن آن شده است.

HCl(aq) + NaOH(aq) → H2O(l) + NaCl(aq)

نظریه های مربوط به اسید و باز

۱- نظریه آرنیوس: در سال ۱۸۸۷ میلادی آرنیوس ضمن بیان نظریه تفکیک یونی تعریف زیر را برای اسیدها و بازها ارائه داد:

اسیدها ترکیباتی هستند که در حلال آب یون‌های+H تولید می‌کنند و بازها نیز ترکباتی هستند که در آب یون‌های OH تولید می‌کنند.

   اسید   HCl → H+(aq) + Cl(aq)                  

   باز   NaOH(aq) → Na+(aq) + OH(aq)

پس خواص مشترک اسیدها مانند داشتن مزه ترش به وجود یون +H نسبت داده می‌شود. واکنش اسیدها با دیگر مواد، نتیجه واکنش +H با آن مواد شناخته می‌شود. واکنش فلز روی با بعضی اسیدها، که منجر به آزادشدن گاز هیدروژن می‌شود می‌توان چنین نوشت:

Zn(s) + H+(aq) → Zn2+(aq) + H2(g)

با همین روش خواص مشترک بازها (مزه گس داشتن) از خواص OH ناشی می‌شود. برای نمونه گاز SO2 با بازها را می‌توان چنین نوشت:

SO2(g) + 2OH(aq) → H2O(l) + SO32-(aq)

بنابراین واکنش خنثی شدن اسیدها و بازها نتیجه واکنش +H  با OH است

H+(aq)+ OH(aq)→ H2O(l)

نظریه آرنیوس درباره اسیدها و بازها دو ویژگی مهم دارد:

  • خواص مشترک اسیدها و بازها را توجیه می‌کند.
  • مقیاسی برای محاسبه و مقایسه قدرت اسیدها ارائه می‌دهد. به این معنی که اسید ضعیف، آن است که به طور جزیی تفکیک می‌شود. در صورتی که اسید قوی تقریبا به طور کامل تفکیک می‌یابد. اما باید اذعان داشت که نظریه آرنیوس به رغم صحیح بودن، حاوی نارسایی‌هایی است. مهمترین ضعف نظریه آرنیوس آن است که تنها حلال (محیط واکنشی) را آب در نظر می‌گیرد.

 

۲-نظریه لوری برونستد: در سال ۱۹۲۳ لوری و برونستد تعریفی برای اسید و باز مستقل از محیط واکنشی(حلال) ارائه نمودند. بر طبق این نظریه، اسید یک گونه شیمیایی ( مولکول کاتیون و آنیون)است که در یک محیط واکنشی مستقل از ماهیت حلال می‌تواند تولید +H نماید.

HF → H+ F

NH4+ → H+ + NH3

H2PO4 → H+ +HPO42-

و باز یک گونه شیمیایی است که مستقل از ماهیت حلال می‌توان ذره +H را بر روی خود تثبیت کند.

NH3+ + H+ → NH4

چون واکنش تولید پروتون توسط یک اسید، یک واکنش تعادلی است و واکنش تثبیت پروتون بر روی یک باز هم یک واکنش تعادلی است، بنابراین می‌توان گفت هر اسید با از دست دادن پروتون تولید باز می‌کند و باز با تثبیت پروتون اولید اسید می‌کند. پس می‌توان تعادل بین اسید و باز را مستقل از نوع حلال بر اساس تعادل زیر در نظر گرفت:

اسید = H+ + باز

HF = H+ + F

به HF اسید مزدوج F و به F باز مزدوج اسید HF و به مجموعه HF/ F  یک زوج اسید باز گفته می‌شود.

تبادل پروتون: +H به حالت آزاد موجود نیست، برای اینکه اسیدی بتواند در یک محیط واکنشی، تولید پروتون نماید باید در حضور بازی قرار گیرد که لیاقت تثبیت پروتون داشته باشد.

 باز(۱) + +H = اسید(۱)

اسید(۲) = +H + باز(۲)

—————–————————————

باز(۱) + اسید(۲) = باز(۲) + اسید(۱)

بر طبق واکنش بالا در یک واکنش تبادل پروتون با دو زوج اسید و باز مواجه می‌باشیم. اگر واکنش بالا به سمت راست هدایت شود واکنش به سمت چپ هدایت نخواهد شد پس بدیهی است باز(۱)، بازی ضعیف و اسید(۲) اسیدی ضعیف است بنابراین در یک زوج اسید و باز اگر اسیدی قوی باشد باز مزدوج آن ضعیف است و متقابلا در یک زوج اسید و باز اگر اسیدی قوی باشد اسید مزدوج آن ضعیف است. مثلا در تفکیک یونی آب طبق واکنش زیر:

H2O(l) + H2O(l) = H3O+(aq) + OH(aq)

باز(۲)          اسید(۱)     اسید(۲)      باز(۱)

دو زوج اسید و باز شرکت‌کننده در تعادلH2O/OH (یک زوج) و H3O+/H2O (زوج دیگر) می‌باشند. پس نتیجه می‌گیریم حلال آب در برابر اسیدها به عنوان باز و در برابر بازها به عنوان اسید عمل می‌کند.

HF   +    H2O   =    F +   H3O+

 اسید(۲)     باز(۱)        باز(۲)       اسید(۱)

NaOH(aq) + H2O(l)  =   Na+(aq) + OH(aq)

  باز(۲)            اسید (۱)          اسید(۲)          باز(۱)

در این شرایط به ترکیباتی مانند آب که هم به عنوان اسید و هم به عنوان باز عمل می‌کند آمفولیت (Ampholyte) گویند، مانند HCO3 و H2PO4

HCO3(aq) + H3O+(aq) = H2CO3(aq) + H2O

HCO3(aq) + H2O = CO32- (aq) + H3O+(aq)

۳-نظریه لوییس: گیلبرت لوییس مفهوم جامع و گسترده‌تری برای اسیدها در سال ۱۹۳۸ ارائه داد که موضوع اسید – باز را از پروتون جدا کرد. طبق نظریه لوییس، اسید ماده‌ای است که بتواند با گرفتن یک زوج الکترون از باز، یک پیوند کوولانسی تشکیل دهد. در نظریه لوییس از مفهوم زوج الکترون و تشکیل پیوند کووالانسی استفاده می‌شود. تعریف لوییس در مورد اسیدها بسیار جامع‌تر از آن است که لوری و برونستد پیشنهاد داده بودند تعریف لوییس از اسید و باز را با نظریه اوربیتال مولکولی هم می‌توان ارائه کرد. در حالت کلی، اسید می‌تواند یک جفت الکترون از بالاترین اوربیتال خالی در پایین اوربیتال خالی خود بگیرد. با وجود این که این تعریف جامع‌ترین تعریف برای اسیدها و بازها است اما تعریف لوری-برونستد برای اسید و باز کاربرد بیشتری دارد. با بهره‌گیری از این تعریف می‌توان میزان قدرت یک اسید را هم معین کرد. از این مفهوم در شیمی آلی هم استفاده می‌شود (مثلاً در کربوکسیلیک اسید). ترکیبات شیمیایی که می‌توانند نقش اسید لوییس داشته باشند، عبارتند از :

  • اتم‌ها یامولکول‌هایی که هشت‌تایی ناقص داشته باشند.

BH3 + F → BH4(aq)

  • بسیاری از کاتیون‌های ساده می‌توانند نقش اسید لوییس داشته باشند.

Cu2+ + 4NH3 → Cu(NH3)42+

  • بعضی از اتم‌های فلزی در تشکیل ترکیباتی مانند کربونیل‌ها که از واکنش فلز با کربن مونوکسید تولید می‌شود، نقش اسید دارند:

Ni + 4CO → Ni(CO)4

  • ترکیباتی که اتم مرکزی آن‌ها توانایی گسترش لایه ظرفیت خود را داشته باشند، در واکنش‌هایی که این گسترش عملی شود، نقش اسید دارند، مثلا در واکنش مقابل ، لایه ظرفیت اتم مرکزی (Sn) از ۸ به ۲ الکترون گسترش یافته ‌است.

SnCl4 + 2Cl → SnCl62-(aq)

  • برخی ترکیبات به دلیل داشتن یک یا چند پیوند دوگانه در مولکول، خاصیت اسیدی دارند. مثلا CO۲


پاسخی بگذارید