Transcript: Acizi şi baze. Teoria protolitică.

În primele lecții am discutat despre cum chimiștii au fost fascinați din totdeauna de periodicitate, adică de proprietățile care se repetă la elementele din aceeași grupă.
Am văzut și cum asta a dus la dezvoltarea chimiei ca știință. Însă chimiștii nu s-au oprit doar la a studia periodicitatea elementelor chimice.
Ei au studiat și proprietățile care se repetă la compușii chimici ce aparțin unor anumite categorii.
Două dintre aceste categorii de compuși care reacționează împreună respectând un anume model au fost denumite acizi și baze.
Toți acizii au anumite proprietăți comune și la fel și toate bazele au proprietăți comune.
Chimiștii au observat că reacția dintre un acid și o bază anulează atât aciditatea cât și bazicitatea compușilor implicați, așa că au denumit această reacție reacție de neutralizare.
Produșii reacției de neutralizare sunt în general o sare și apă.
Dar să vedem mai întâi ce sunt acizii și bazele.
Denumirea de acid vine din limba latină și înseamnă gust acru înțepător, ca în cazul sucului de lămâie sau a oțetului.
Soluții ce conțin amândouă acizii.
Să facem totuși o mică paranteză aici.
Gustul este o caracteristică extraordinar de periculoasă pentru acizii.
În multe cazuri să gustăm un acid ar putea fi chiar ultimul lucru pe care îl facem.
Lucru valabil de altfel și în cazul bazelor.
Deci orice ar fi, substanțele chimice nu se gustă și nu se inhalează.
Pe de altă parte, compușii din categoria bazelor au fost denumiți inițial substanțe alcaline
de la cuvântul arabic al-kali care înseamnă cenușă.
Pentru că sursa obișnuită pentru substanțele alcaline era cenușa de lemn.
Cenușa era încălzită în amestecul grăsimii animale pentru a se obține săpunul
și se considera în mod greșit că substanțele alcaline sunt alunecoase ca săpunul.
De fapt aceea era senzația dată de grăsimile din amestec.
Mai târziu, termenul de alcalin a fost înlocuit de termenul mult mai general bază.
Terenul de bază vine de la faptul că un singur compus, adică baza,
poate fi fundația de la care se pornește în obținerea unei serii de săruri diferite
prin reacții cu o selecție de câțiva acizi.
Astăzi, când vorbim de substanțe alcaline, ne referim doar la bazele care sunt solubile în apă.
De exemplu, pornind de la hidroxidul de sodiu, care este o bază,
putem obține clorura de sodiu prin neutralizare cu acid clorhidric.
Sau pornind de la aceeași bază, putem obține sulfat de sodiu prin neutralizare cu acisul furic.
Și totuși, cum identificăm acizii și bazele fără să ne riscăm viața sau, în cel mai bun caz,
fără să ne alegem cu arsuri grave?
Înainte să răspundem la această întrebare, va trebui să ne lămurim ce este un proton.
Știm că este o particulă subatomică din nucleul atomic.
Însă, în cazul atomului de hidrogen, singurul proton din nucleu formează în suși nucleul atomului.
Chimiștii notează protonul ca fiind ionul de hidrogen, hidrogen plus,
adică un atom de hidrogen care și-a scedat singurul electron din înveli.
Deci, protonul este sinonim cu ionul de hidrogen.
Și mai știu despre proton că este de vreo 2000 de ori mai greu decât un electron.
Cu toate astea, un proton este totuși foarte, foarte ușor
și îndeajuns de sprinte încât să sară destul de ușor de la o moleculă la alta.
Scăpând din centrul unui atom de hidrogen, protonul se poate lipi de norul de electron al altor molecule.
Aici poate face roz de o pereche de electron puși în comun
și astfel poate redeveni un atom de hidrogen atașat de molecula respectivă.
Pe scurt, specificul reacțiilor dintre acis și baze constă în transferul protonilor.
Dar nu s-a ajuns atât de ușor la această concluzie.
Chimistriul suedez, Vanta Renios, este cel care a sugerat că un acid este orice compus care conține hidrogen
și care atunci când se dizolvă în apă, îi liberează ion de hidrogen.
La dizolvare a acidului clorhidric gazos în apă, fiecare moleculă de acid clorhidric cedează un proton.
În soluție, protonul nu poate exista liber deoarece nu are înveliș electronic.
Astfel, el se fixează de o moleculă de apă și formează ionul hidroniu.
În soluție apoasă diluată de acid clorhidric există numai ion clorură și ion hidroniu.
Deci, conform lui Arenios, acid este substanța care cedează a apei ion de hidrogen sau proton.
În ceea ce privește bazele, Arenios a spus că o bază este orice compus a cărui dizolvare în apă duce la formarea ionilor hidroxid.
Astfel, conform acestei teorii, hidroxidul de sodiu este o bază deoarece la dizolvarea în apă, ionii de sodiu și hidroxid disociează complet.
Procesul care are loc la dizolvarea hidroxidului de sodiu în apă se poate scrie în această formă
hidroxidul de sodiu plus un număr N de molecule de apă, N fiind deci numărul de molecule de apă care hidratează ionul sodiu plus,
chiar la dizolvare se obține și ionul hidroxid.
Aceste două definiții ale lui Arenios țin cont de modelul reacțiilor de neutralizare observat de oamenii de știință.
Când o soluție de acid clorhidric, care conform lui Arenios conține ion de hidroniu și ion de clorură dizolvați,
este turnată peste o soluție de hidroxid de sodiu, care conține ion de sodiu și ion hidroxid.
Protonul din componența ionului hidroniu și ionul hidroxid se grupează imediat și formează o legătură devenind o moleculă de apă.
După ce se formează apa, ionii de sodiu și clorură formează sarea, adică clorura de sodiu.
Aceasta este reacția de neutralizare, însă prin explicațiile lui Arenios nu a acoperit tot ceea ce se întâmplă cu acizii și bazele.
Teoria lui a avut mult succes până când chimiștii și-au îndreptat atenția către reacții care aveau loc și în alte lichide în afară de apă
sau aveau loc chiar în absența oricărui solvent.
Adică oamenii de știință au observat că mulți compuși se comportă ca acizi sau baze chiar dacă nu este prezentă apa,
deși definițiile lui Arenios implică în mod explicit prezența apei.
În anul 1923, aproape simultan, chimistul englez Thomas Lowry și chimistul danez Johannes Bronsted
au propus alte două definiții mult mai generale pentru noțiunile de acid și bază.
Ei au luat în considerare transferul de protoni care poate avea loc între unele substanțe sau specii chimice.
Această teoria asupra acizilor și bazelor se numește teoria Bronsted-Lowry sau se mai numește teoria protolitică.
Cei doi chimiști au spus foarte clar și simplu că un acid este orice substanță care poate dona un proton către o altă moleculă,
iar o bază este orice substanță care poate accepta acel proton donat.
Cu alte cuvinte, un acid este un donor de proton, iar o bază este un acceptor de proton.
Conform acestei definiții, sunt considerate acizi și ionul hidroniu, spre exemplu, sau ionul amoniu, ionul carbonat-acid.
La fel, conform teoriei protolitice, sunt considerate baze amoniacul, dar și anionii clorură, sulfat, carbonat sau ionul sulfat-acid,
deoarece acești ion pot accepta proton trecând în acizi corespunzători.
Spre exemplu, ionul amoniu în reacția cu apa va dona un proton a apei, redevenind amoniac, iar apa devine ion hidroniu.
În acest caz, ionul amoniu este acidul.
Acizii pot dona mai mult de un proton, deci avem și o clasificare a lor după numărul de proton ce dați de o moleculă.
Monoacizii sunt cei care donează un singur proton, este cazul acidului clorhidric, acidul iodhidric sau acidului azotic.
Poliacizii sunt acizii care pot dona doi sau mai mulți proton. Este cazul acidului carbonic sau acidului sulfuric, care sunt diacizi, sau acidul fosforos, care este triacid.
Putem spune că poliacizii cedează protonii în trepte, sau mai putem spune că ionizează în trepte.
De exemplu, acidul carbonic în reacție cu apa va ceda apei un proton, apa se va transforma în ion hidroniu, iar acidul carbonic devine ion carbonat acid.
Ionul carbonat acid mai poate ceda un proton unei alte molecule de apă din soluție și astfel se transformă în ion carbonat.
După cum am mai spus, protonul este o particulă mică extrem de reactivă, iar el nu poate exista liber în soluție.
În toate reacțiile despre care am vorbit, protonul cedat de acid este acceptat de o altă specie chimică imediat, iar conform teoriei protolitice, acea specie care acceptă protonul este o bază.
Haideți să revenim la reacția dintre ionul amoniu și apă.
Ne e foarte clar că reacția dintre ionul amoniu, cel care donează protonul, este acid, iar baza este apa.
După cum vom vedea în următoarea lecție, când vom vorbi despre tărie acizilor, ionul amoniu este un acid slab.
Și fiind vorba despre un acid slab, are loc și reacția inversă.
În reacția inversă, observăm că protonul va fi donat de ionul hidroniu, care joacă el acum rol de acid, iar amoniacul va fi cel care acceptă protonul, deci va fi o bază.
Într-o astfel de reacție care implică transfer de protoni, fiecare specie chimică poate fi numită acid sau bază.
Orice acid, prin cedare de protoni, se transformă într-o specie chimică cu caracteri de bază și se numește baza conjugată a acidului respectiv.
Deci, în acest caz, baza conjugată a ionului de amoniu este amoniacul.
La fel, orice bază, prin faptul că acceptă un proton, se transformă într-o specie chimică cu caracter acid, adică se transformă într-un acid conjugat al bazei respective.
Iar în acest exemplu, apei îi corespunde ionul hidroniu ca acid conjugat.
Astfel, prin teoria protolitică, se stabilește relația acid-bază de tip donor-acceptor prin intermediul protonului, particulă care se transferă între acid și bază.
Avem, deci, cupluri de acid-bază conjugate pe care le putem reprezenta schematic în acest fel.
Un acid notat generic HA tonează un proton, transformându-se într-o bază conjugată notată A-.
Când baza A- acceptă un proton, se transformă la loc în acidul conjugat HA.
Exemple sunt cuplurile acid-bază, acid cianhidric și ionul cianură, sau acid clorhidric și ionul clorură, unde ionul cianură și ionul clorură sunt bazele conjugate.
Și la fel, o bază notată B primește un proton și se transformă în acidul conjugat HB+, care la rândul lui poate dona protonul, transformându-se la loc în baza B.
Ca exemplu, sunt cuplurile acid-bază de tipul ion-amoniu și amoniac, unde ionul amoniu este acidul conjugat al bazei amoniac.
Știm acum că orice substanță care poate ceda un proton este un acid, iar orice substanță care poate accepta un proton este o bază.
Dar știți care este cel mai des utilizat acid? Apa. Și care este cea mai des utilizată bază? Tot apa.
Acest lucru este posibil datorită caracterului amfotera la vechi, despre care vom discuta data viitoare. Și tot atunci vom discuta și despre tăria a cizilor și a bazelor.