Τα οξέα Bronsted-Lowry και οι συζευγμένες βάσεις τους

Το 1924, οι χημικοί Johannes Nicolaus Bronsted και Thomas Martin Lowry χαρακτήρισαν αυτόνομα τα οξέα και τις βάσεις με βάση την ικανότητά τους να δωρίζουν ή να δέχονται πρωτόνια (ιόντα Η+). Η θεωρία περιγράφει τα οξέα ως δότες πρωτονίων, ενώ οι βάσεις είναι δέκτες πρωτονίων. Οι αμφοτερικές ενώσεις μπορούν να λειτουργήσουν τόσο ως οξύ Bronsted-Lowry όσο και ως βάση.

Σύμφωνα με τη θεωρία, η βάση δημιουργεί το συζυγές οξύ της κάθε φορά που μια βάση και ένα οξύ αντιδρούν. Ομοίως, το οξύ σχηματίζει τη συζευγμένη βάση του. Αυτό το φαινόμενο συμβαίνει με την ανταλλαγή ενός πρωτονίου.

Η θεωρία οξέος-βάσης Bronsted-Lowry είναι ένα στερεότυπο της θεωρίας οξέων και βάσεων του Arrhenius.

Ορισμοί οξέων και βάσεων

Η θεωρία του Arrhenius ορίζει τα οξέα ως ουσίες που διασπώνται σε ένα δεδομένο υδατικό διάλυμα για να δώσουν Η+ (ιόντα υδρογόνου). Αντίθετα, οι βάσεις είναι ουσίες που διασπώνται σε ένα δεδομένο υδατικό διάλυμα για να παρέχουν ΟΗ- με (ιόντα υδροξειδίου).

Η ακόλουθη εξίσωση εκφράζει τον ορισμό:

Οξύ + βάση ⇌ συζευγμένη βάση + συζευγμένο οξύ.

Επειδή η αντίδραση μπορεί να συμβεί τόσο προς τα εμπρός όσο και προς την αντίστροφη κατεύθυνση, η παραπάνω έκφραση χρησιμοποιεί ένα σύμβολο ισορροπίας. Το οξύ, ΗΑ, μπορεί να χάσει ένα πρωτόνιο για να κάνει τη συζυγή του βάση, το Α. Β, τη βάση, μπορεί να δεχθεί ένα πρωτόνιο να γίνει ΗΒ+, το συζυγές του οξύ.

Δεδομένου ότι οι περισσότερες αντιδράσεις οξέος-βάσης είναι γρήγορες, τα συστατικά της αντίδρασης βρίσκονται γενικά σε δυναμική ισορροπία.

The Bronsted-Lowry Theory

Ένας δότης πρωτονίου (Η+) αντιπροσωπεύει ένα οξύ και ένας δέκτης πρωτονίων υποδεικνύει μια βάση, σύμφωνα με τη θεωρία οξέων και βάσεων Bronsted-Lowry. Όταν ένα οξύ Bronsted-Lowry χάνει ένα από τα πρωτόνια του, σχηματίζει μια συζευγμένη βάση. Ομοίως, η απόκτηση πρωτονίου από μια βάση Bronsted-Lowry οδηγεί στο σχηματισμό συζυγούς οξέος.

Ο Bronsted-Lowry ορίζει τη μεταφορά πρωτονίων από ένα μόριο ή ιόν σε άλλο ως αντίδραση οξέος-βάσης.

Ρίξτε μια ματιά στην αντίδραση οξέος-βάσης που φαίνεται παρακάτω:

CH3COOH + H2O⇌CH3COO- + H3O+

Το οξικό οξύ (CH3COOH) είναι όξινο επειδή δίνει ένα πρωτόνιο στο νερό (H2O) και σχηματίζει τη συζυγή του βάση, το οξικό ιόν (CH3COO). Το H2O ορίζεται ως βάση επειδή δέχεται ένα πρωτόνιο από το CH3COOH και μετατρέπεται στο συζυγές οξύ του, το ιόν υδρονίου (H3O+).

Στην πρώτη αντίδραση, η συζευγμένη βάση του οξέος και το συζευγμένο οξύ της βάσης υφίστανται μια αντίδραση οξέος-βάσης. Στο προηγούμενο παράδειγμα, το οξικό είναι η βάση της αντίστροφης αντίδρασης και το ιόν υδρονίου είναι το οξύ.

Σημεία που πρέπει να θυμάστε

• Bronsted-Lowry Acid:Μια χημική ομάδα που χάνει ένα πρωτόνιο (H+).
• Βάση Bronsted-Lowry:Μια χημική ομάδα με ένα μόνο ζεύγος ηλεκτρονίων που μπορεί να αποκτήσει ένα κατιόν/πρωτόνιο.
• Συζευγμένη βάση:Δέχεται πρωτόνια από το οξύ Bronsted-Lowry.
• Συζευγμένο οξύ:Χάνει πρωτόνιο σε μια βάση Bronsted-Lowry 
• Ο μοριακός τύπος του συζυγούς ζεύγους οξέος-βάσης είναι ο ίδιος με αυτόν του αρχικού ζεύγους οξέος-βάσης, με τη διαφορά ότι το οξύ έχει ένα περισσότερο Η+ από τη συζυγή βάση.
• Ισχυρά Οξέα/Βάσεις:Ενώσεις που ιονίζονται πλήρως σε νερό ή υδατικό διάλυμα 
• Ασθενή Οξέα/Βάσεις:Ενώσεις που διασπώνται μόνο εν μέρει σε υδατικά διαλύματα ή νερό.
• Αμφοτερικές ενώσεις:Δρα τόσο ως οξύ Bronsted-Lowry όσο και ως βάση Bronsted-Lowry. Π.χ. νερό.

Σύγκριση με τη θεωρία οξέος-βάσης Lewis

Γ.Ν. Ο Lewis έδωσε μια εναλλακτική θεωρία των αντιδράσεων οξέος-βάσης την ίδια χρονιά που οι Bronsted και Lowry δημοσίευσαν τη θεωρία τους.

Η ηλεκτρονική δομή στηρίζει αυτή τη θεωρία του Lewis. Μια βάση Lewis είναι μια ένωση ικανή να δώσει ένα ζεύγος ηλεκτρονίων σε ένα οξύ Lewis, το οποίο μπορεί να αποκτήσει ένα ζεύγος ηλεκτρονίων.

Η επίδειξη του Lewis περιγράφει την ταξινόμηση Bronsted–Lowry χρησιμοποιώντας ηλεκτρονική δομή.

HA + B ⇌ A- + BH+

Στην παραπάνω αναπαράσταση, και οι δύο  Συζυγείς βάσεις, Α- και Β, συγκρατούν ένα μοναχικό ζεύγος ηλεκτρονίων. Επομένως, το πρωτόνιο, ένα οξύ Lewis, μπορεί να περάσει ανάμεσά τους.

Συμπέρασμα

Κάθε είδος που μπορεί να δώσει ένα πρωτόνιο H+ ονομάζεται οξύ Bronsted-Lowry. Οποιοδήποτε είδος έχει την ικανότητα να δέχεται ένα πρωτόνιο και απαιτεί ένα μοναχικό ζεύγος ηλεκτρονίων για τη δημιουργία δεσμού με το Η+ είναι μια βάση Bronsted-Lowry.

Το είδος που δημιουργείται αφού ένα οξύ δίνει το πρωτόνιό του είναι η συζευγμένη βάση ενός οξέος Bronsted-Lowry. Το είδος που σχηματίζεται αφού μια βάση δέχεται ένα πρωτόνιο είναι το συζυγές οξύ μιας βάσης Bronsted-Lowry. Ένα συζυγές ζεύγος οξέος-βάσης έχει τον ίδιο μοριακό τύπο με τη συζευγμένη βάση, εκτός από το ότι το οξύ έχει επιπλέον Η+.

Ένα παράδειγμα αμφοτερικής ουσίας είναι το νερό, που σημαίνει ότι μπορεί να λειτουργήσει ως οξύ Bronsted-Lowry και ως βάση Bronsted-Lowry.