Read Time7 Minute, 31 Second

Możesz zwiększyć swoją szansę na wysoki wynik z matury z chemii (90% i więcej) dzięki najlepszemu kursowi online w Polsce. Więcej informacji w linku.

KLIKNIJ

1. Wstęp do teorii kwasów i zasad Brónsteda.

Jest to absolutna licealna podstawa, której dobre rozumienie pozwala połączyć wiele chemicznych pojęć w większą, spójną całość. Jak zapewne każdy z Was wie Pan Brónsted i Lowry wymyślili sobie, że:

Warto zaznaczyć, że nie można przypisać ani roli kwasu, ani zasady jonowi H⁺, ponieważ jon ten służy do wyznaczania funkcji kwasu, czy też zasady dla innych cząsteczek.

2. Przykłady reakcji opisanych wg teorii Brónsteda-Lowry’ego

Najlepiej zrozumieć dane zagadnienie na podstawie konkretnych przykładów. No to popatrzmy.

Na początku reakcja dysocjacji amoniaku w wodzie:W reakcji tej można powiedzieć, że woda przekazuje jon H⁺cząsteczce amoniaku przekształcając się przy tym w jon OH^–. Z kolei amoniak przyjmuje proton przekształcając się jednocześnie w kation amonowy, czyli jon NH₄⁺. Tak więc, skoro woda oddaje proton, to można ją nazwać kwasem Brónsteda, natomiast amoniak przyjmujący jon H⁺można nazwać zasadą Brónsteda, co obrazuje poniższy rysunek:Reakcję tę można nazwać reakcją dysocjacji wodorotlenku amonu w wodzie, albo po prostu reakcją amoniaku z wodą. Co ciekawe, nie możecie na poziomie maturalnym zapisywać wodorotlenku amonu jako NH₄OH. Powyższe równanie dysocjacji wodorotlenku amonu jest najbardziej poprawną wersją maturalną!! Należy jednak zaznaczyć, że w teorii Brónsteda – Lowry’ego powstaje para sprzężonych kwasów i zasad. Tak więc skoro oznaczyliśmy rolę poszczególnych drobin po stronie substratów, możemy to samo wykonać po stronie produktów tworząc przy tym pary sprzężonych kwasów i zasad Brónsteda. Spójrzmy na stronę produktów i rozstrzygnijmy rolę poszczególnych jonów. Kation amonowy (NH₄⁺) może oddać proton przekształcając się w cząsteczkę amoniaku (musimy sobie wyobrazić, że reakcja toczy się w odwrotnym kierunku). Tak więc skoro NH₄⁺może oddać proton, to jest kwasem Brónsteda sprzężonym z cząsteczką NH₃, gdyż drobiny te przechodzą w siebie nawzajem. Z kolei jon OH^– może przyłączyć proton, stąd można go nazwać zasadą Brónsteda, która jest jednocześnie sprzężona z cząsteczką wody po stronie substratów. Powstają więc dwie pary kwasów-zasad Brónsteda, co można zobrazować następująco:
drugi przykład. Tym razem reakcja kwasu chlorowego (I) z wodą, czyli jego dysocjacja:W reakcji tej kwas chlorowy (I) oddaje proton wodzie. Tak więc HClO nazwiemy kwasem Brónsteda, z kolei wodę która przyjmuje proton nazwiemy zasadą Brónsteda. Możemy również opisać rolę jonów po stronie produktów. Ostatecznie powstają 2 pary sprzężonych kwasów-zasad wg Brónsteda, co można zwizualizować:

Widzimy więc, że przypisane przez nas role zgadzają się z tym jak te związki nazywamy. Kwas chlorowy (I) nazwaliśmy kwasem Brónsteda i rzeczywiście zaliczamy go do grupy związków zwanych kwasami. Z kolei wodorotlenek amonu (amoniak) nazwaliśmy zasadą Brónsteda i rzeczywiście pasuje to do grupy związków do której go przypisujemy. Wszystko jednak stanęłoby do góry nogami gdybyśmy rozważali dysocjację kwasu chlorowego (I) nie w wodzie, a w innym rozpuszczalniku. Mogłoby się okazać, że w reakcji tej kwas chlorowy (I) będzie pełnił rolę zasady, a nie kwasu.!!!

2. Im mocniejszy kwas, tym słabsza zasada jest z nim sprzężona wg teorii Brónsteda-Lowry’ego

Jest to bardzo ważna reguła, o której powinien wiedzieć każdy maturzysta!!! W praktyce jednak bywa różnie. Jak interpretować ową regułę? Przyjmijmy, że porównamy sobie dwa kwasy: kwas fluorowodorowy (HF) oraz kwas azotowy (III) (HNO₂). Porównajmy stałe dysocjacji kwasowe (K_a), które możemy odczytać w tablicach maturalnych:

K_a dla kwasu azotowego (III) wynosi 0,00051

K_a dla kwasu fluorowodorowego wynosi 0,00063

Widzimy, że mocniejszym kwasem jest HF, któremu przypisuje się nieznacznie większą wartość (K_a). Teraz pytanie filozoficzne? Czymże jest kwas? Kwas jest cząsteczką/jonem protonującym inną cząsteczkę, o czym mówi nam przecież teoria Brónsteda. Tak więc, skoro HF jest silniejszym kwasem, czyli mocniej protonuje inne cząsteczki, a szczególnie wodę, bo to jej protonowanie rozważamy głównie na poziomie liceum, to jon powstający z trakcie tej protonacji, czyli jon F^–będzie mniej chętnie przyjmować proton od innych cząsteczek, czyli będzie słabszą zasadą.

Porównując więc dwie zasady z kwasów wypisanych powyżej, czyli: F^–oraz NO₂^– , możemy powiedzieć, że mocniejszą zasadą jest jest jon NO₂^–czyli:

F^–< NO₂^–

Kwasowość i zasadowość są jakby skrajnymi ułożeniami w świecie chemii. Jeżeli porównalibyśmy to do świata zero-jedynkowego, to można powiedzieć, że im jakaś liczba jest bliżej 0, to tym dalej jest od liczby 1, co może lepiej pozwoli zrozumieć ową regułę.

3. Teoria Brónsteda-Lowry’ego a rozumienie chemii na poziomie licealno-akademickim

Zawsze powtarzam, że jeżeli ktoś chce zdać chemię na maturze na wysoki wynik, to musi chemię rozumieć, a nie tylko umieć. Są różne poziomy zrozumienia chemii, a dokładne przemyślenie teorii Brónsteda-Lowry’ego jest kluczem do zrozumienia chemii na poziomie masterskim.

Teoria Brónsteda-Lowry’ego jest bezpośrednio powiązana ze stałymi dysocjacji (K_aoraz K_b), bo przecież dysocjacja kwasu/zasady jest niczym innym jak protonowaniem jednej cząsteczki przez drugą. Jeżeli zapisujemy równanie reakcji dysocjacji HF w wodzie:i stworzymy następnie wzór na stałą równowagi tego procesu (K_a):to wyrażamy za pomocą wartości K_a to jak mocno/jak łatwo kwas fluorowodorowy protonuje wodę w tym procesie. Co ciekawe, jeżeli spojrzymy na tę reakcję z punktu widzenia tematu: Budowa atomu, to okaże się że HF protonuje wodę po to, aby wskutek reakcji spełnić regułę oktetu. Dlaczego? Otóż po dysocjacji atom fluoru przekształca się w anion F^–, a anion ten posiada o 1 elektron więcej niż zwykły fluor i przyjmuje w tym momencie konfigurację neonu. Można więc proces dysocjacji nazwać „walką o spełnienie reguły oktetu przy pomocy protonowania jednej cząsteczki przez drugą”. Takie spojrzenie na proces dysocjacji oraz na teorię Brónsteda dla jednych wydaje się oczywiste, jednak dla drugich stanowi niesamowite odkrycie i jest doskonałym zabiegiem dla zrozumienia chemii.

Pójdźmy jeszcze o krok dalej. Na poziomie liceum rozważamy podział na kwasy i zasady jedynie z punktu widzenia dysocjacji w wodzie. Jest to zabieg wystarczający do rozwiązywania zadań, ale niewystarczający do rozumienia chemii. Woda jest punktem odniesienia co do kwasowości/zasadowości innych związków, dlatego że jest jej „w brud” na naszej planecie. Jednakże samą wodę można nazwać kwasem/zasadą, jeżeli zmienimy punkt odniesienia. I tak dla przykładu, chyba wszystkim znana reakcja, którą zresztą zapisywaliśmy niedawno, czyli proces dysocjacji amoniaku w wodzie:Jeżeli spojrzymy na tą reakcję jeszcze raz z trochę innego punktu widzenia, to okaże się, że woda w tej reakcji jest kwasem i protonuje amoniak. Mogę również powiedzieć, że woda w tej reakcji przekazuje proton amoniakowi dlatego, iż tlen w wodzie ma wyższą elektroujemność niż azot w amoniaku, stąd tlen bardziej chce osiągnąć oktet niż azot i chętniej proponuje go by po przyłączeniu dodatkowego elektronu zbliżyć się do osiągnięcia reguły oktetu.

Takie spojrzenie na teorię Brónsteda ze zrozumieniem że kwasowość/zasadowość jest cechą względną i zależną od charakteru rozpuszczalnika w którym dany związek się rozpuszcza, pozwala spojrzeć na chemię w zupełnie innym świetle i zrozumieć to, czego dużo osób na pozór nie widzi.

4. Teoria Brónsteda, a inne teorie kwasów i zasad.

Poza teorią Brónsteda, na poziomie liceum powinniście również mieć opanowaną doskonale teorię kwasów i zasad Lewisa, o której więcej możecie przeczytać w artykule: https://akademiachemiiblog.wordpress.com/2018/02/20/teoria-lewisa-omowienie-i-przyklady-pechowa-13-stka-w-ukladzie-okresowym/

Warto zrozumieć, że teorie kwasów i zasad bez znaczenia wg kogo sformułowane, w gruncie opisują te same procesy. Dla przykładu przeanalizujmy reakcję dysocjacji kwasu solnego w wodzie, inaczej mówiąc reakcję protonowania wody za pomocą HCl:

W reakcji tej HCl przekazuje proton wodzie, czyli pełni funkcję kwasu Brónsteda, co pokazuje poniższe równanie reakcji.

Jednakże, jeżeli spojrzelibyśmy na tą reakcję z punktu widzenia teorii Lewisa, to co się okaże? Wg Lewisa, zasada to dawca pary elektronowej, a kwas to biorca pary elektronowej. Jednak nie możemy rozważać kwasu solnego jako kwasu/zasady Lewisa. Kwasy które my popularnie tak nazywamy są adduktami kwasowo-zasadowymi, a dopiero wskutek ich dysocjacji powstający jon H⁺można nazwać kwasem Lewisa, co pokazuje poniższe równanie:

Powstający w reakcji jon H⁺ jest potencjalnym kwasem Lewisa, gdyż posiada deficyt elektronów (konkretnie 0 elektronów), stąd może przyjmować od innych pierwiastków parę elektronową. Na poniższym równaniu reakcji widać dobrze, jak jedna cząsteczka wody (zasada Lewisa) przekazuje wolną parę elektronową jonowi H⁺(kwas Lewisa) pochodzącemu od cząsteczki HCl.

I co prawda, to jon H⁺jest stricte kwasem Lewisa, a nie cała cząsteczka HCl, ale w pewnym uproszczeniu można stwierdzić, że w obydwóch regułach cząsteczka HCl pełni funkcję kwasu, natomiast woda – funkcję zasady.

Czasami może się zdarzyć, że niemożliwe będzie wyznaczenie roli kwasu/zasady wg jednej z teorii. Dla przykładu rozważmy reakcję borowodoru z amoniakiem zachodzącą wg równania:

Widzimy która cząsteczka pełni funkcję kwasu, a która zasady wg Lewisa, jednakże nie wyznaczylibyśmy tego w teorii Brónsteda, dlaczego? Otóż w reakcji tej nie dochodzi do przekazania protonu (jonu H⁺), tylko do przekazania wolnej pary elektronowej. Stąd nie dałoby się wyznaczyć roli kwasu/zasady wg Brónsteda.

Podsumowując, z aspektu licealnego najbardziej przydatną jest teoria kwasów i zasad Brónsted’a. Role kwasów/zasad wyznaczone wg różnych teorii zazwyczaj się ze sobą pokrywają. Jednakże, nie zawsze da się wyznaczyć jaką funkcję pełni dana cząsteczka/jon w analizowanej teorii ze względu na jej ograniczenia.

Pozdrawiam,

Łukasz Lijewski – AKADEMIA CHEMII

Wszelkie prawa zastrzeżone!!!

Zamieszczanie jakichkolwiek fragmentów tego artykułu w innych publikacjach i stronach internetowych bez zgody autora jest zabronione.