-600 Alchemia Pierwsze rozważania na temat kwasów i zasad prowadzili alchemicy. Jak podają źródła, początki alchemii sięgają starożytnej Grecji, a rozwinęli ją Arabowie w VI–XI w. Zgodnie z wiedzą alchemików, kwasy miały mieć smak kwaśny. Ponadto sądzili, że kwasy zmieniają barwę lakmusu i mają zdolność do roztwarzania metali. Z czasem, za sprawą rozwoju metod wyodrębniania i oczyszczania substancji alchemicy, otrzymywali kwasy mineralne (np. siarkowy, azotowy, chlorowodorowy) czy wodę królewską., 1778 Teoria Lavoisiera Historycznie najstarszą teorię podał A.L. Lavoisier, który błędnie uważał, że właściwości kwasów wynikają z obecności tlenu w ich cząsteczkach. Stąd dawniej polska nazwa tlenu brzmiała „kwasoród”., 1814 Wodorowa teoria kwasów Według wodorowej teorii kwasów, sformułowanej przez H.B. Davy’ego, wodór jest zasadniczym składnikiem kwasów., 1833 Uściślenie teorii wodorowej Teorię wodorową uściślił J. Liebig, który wskazał, że o charakterze kwasowym decyduje tylko obecność takiego atomu wodoru, który może być podstawiony przez atom metalu., 1833 - 1838 Kilka atomów wodoru Th. Graham (1833) i Liebig (1838) wykazali, że takich atomów wodoru może być w cząsteczce kilka., 1877 Teoria kwasów i zasad Arrheniusa Istotny postęp wprowadziła teoria dysocjacji elektrolitycznej S.A. Arrheniusa., 1914 Teoria rozpuszczalnikowa Ponieważ jony H indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego, O indeks górny, plus, koniec indeksu górnego i O H indeks górny, minus, koniec indeksu górnego można traktować jako składniki wody występujące w reakcji dwa H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O strzałki równowagowe H indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego, O indeks górny, plus, koniec indeksu górnego, plus, O H indeks górny, minus, koniec indeksu górnego, więc uogólnieniem tej teorii, zwanej teorią jonową, jest teoria rozpuszczalnikowa Edwarda C. Franklina, dotycząca innych niewodnych rozpuszczalników (np. w ciekłego amoniaku). Analogiczną reakcją jest: dwa N H indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego, strzałki równowagowe N H indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, indeks górny, plus, koniec indeksu górnego, plus, N H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, indeks górny, minus, koniec indeksu górnego, a więc kwasami są substancje zawierające jon N H indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, indeks górny, plus, koniec indeksu górnego, a zasadami mające jon N H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, indeks górny, minus, koniec indeksu górnego., 1923 Teoria protolityczna W teorii protolitycznej, opracowanej przez J.N. Brønsteda i Th.M. Lowry’ego, kwasami są substancje, jony lub cząsteczki, które są donorami protonów (oddają jon wodoru), a zasadami — substancje, które są akceptorami protonów (przyłączają jon wodoru); w wyniku reakcji protolitycznej powstaje inny kwas i inna zasada., 1926 Teoria elektronowa W reakcjach przedstawionych przez Franklina woda może być zarówno kwasem, jak i zasadą — ma charakter amfoteryczny. Ponieważ w tych reakcjach następuje tworzenie wiązania koordynacyjnego, G.N. Lewis zaproponował teorię elektronową, uwzględniającą również inne reakcje podobnie przebiegające. Kwasami wg teorii Lewisa są jony lub cząsteczki mające niedobór elektronów, które mogą reagować z jonami lub cząsteczkami mającymi wolne pary elektronów; kwasy są więc akceptorami elektronów, a zasady — donorami elektronów., 1939 Teoria Usanowicza W 1939 r. Michaił Iljicz Usanowicz sformułował uogólnioną teorię kwasów i zasad. Zgodnie z jej postulatami kwasem nazwano cząsteczkę zdolną do odszczepiania kationów (w tym protonu) lub przyłączania anionów (w tym elektronów). Natomiast zasadą nazwano cząsteczkę zdolną do przyłączania protonów i innych kationów lub oddawania elektronów i innych anionów. Dodatkowo teoria ta zakładała włączenie do oddziaływań kwasowo‑zasadowych reakcji utleniania i redukcji., 1963 Teoria twardych i miękkich kwasów Wzajemną reaktywność kwasów i zasad Lewisa objaśnia teoria twardych i miękkich kwasów, opracowana przez R.G. Pearsona. Akceptory protonów, odznaczające się małą polaryzowalnością, a więc małą zdolnością do deformacji powłok elektronowych pod wpływem pola elektrycznego partnera reakcji, zalicza się do kwasów twardych (np. H indeks górny, plus, koniec indeksu górnego, M g indeks górny, dwa, plus, koniec indeksu górnego, C O indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego), a akceptory wykazujące dużą polaryzowalność — do kwasów miękkich (np. A g indeks górny, plus, koniec indeksu górnego, I indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego). Zasadami twardymi są donory elektronów o małej polaryzowalności (np. O H indeks górny, minus, koniec indeksu górnego, F indeks górny, minus, koniec indeksu górnego, N H indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego), miękkimi zaś — donory o dużej polaryzowalności (np. S indeks górny, dwa, minus, koniec indeksu górnego, C N indeks górny, minus, koniec indeksu górnego, C O). Kwasy twarde reagują przede wszystkim z zasadami twardymi, a kwasy miękkie z miękkimi zasadami. Teoria ta wyjaśnia zachodzenie wielu reakcji związków organicznych i nieorganicznych.
-600 Alchemia Pierwsze rozważania na temat kwasów i zasad prowadzili alchemicy. Jak podają źródła, początki alchemii sięgają starożytnej Grecji, a rozwinęli ją Arabowie w VI–XI w. Zgodnie z wiedzą alchemików, kwasy miały mieć smak kwaśny. Ponadto sądzili, że kwasy zmieniają barwę lakmusu i mają zdolność do roztwarzania metali. Z czasem, za sprawą rozwoju metod wyodrębniania i oczyszczania substancji alchemicy, otrzymywali kwasy mineralne (np. siarkowy, azotowy, chlorowodorowy) czy wodę królewską., 1778 Teoria Lavoisiera Historycznie najstarszą teorię podał A.L. Lavoisier, który błędnie uważał, że właściwości kwasów wynikają z obecności tlenu w ich cząsteczkach. Stąd dawniej polska nazwa tlenu brzmiała „kwasoród”., 1814 Wodorowa teoria kwasów Według wodorowej teorii kwasów, sformułowanej przez H.B. Davy’ego, wodór jest zasadniczym składnikiem kwasów., 1833 Uściślenie teorii wodorowej Teorię wodorową uściślił J. Liebig, który wskazał, że o charakterze kwasowym decyduje tylko obecność takiego atomu wodoru, który może być podstawiony przez atom metalu., 1833 - 1838 Kilka atomów wodoru Th. Graham (1833) i Liebig (1838) wykazali, że takich atomów wodoru może być w cząsteczce kilka., 1877 Teoria kwasów i zasad Arrheniusa Istotny postęp wprowadziła teoria dysocjacji elektrolitycznej S.A. Arrheniusa., 1914 Teoria rozpuszczalnikowa Ponieważ jony H indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego, O indeks górny, plus, koniec indeksu górnego i O H indeks górny, minus, koniec indeksu górnego można traktować jako składniki wody występujące w reakcji dwa H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O strzałki równowagowe H indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego, O indeks górny, plus, koniec indeksu górnego, plus, O H indeks górny, minus, koniec indeksu górnego, więc uogólnieniem tej teorii, zwanej teorią jonową, jest teoria rozpuszczalnikowa Edwarda C. Franklina, dotycząca innych niewodnych rozpuszczalników (np. w ciekłego amoniaku). Analogiczną reakcją jest: dwa N H indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego, strzałki równowagowe N H indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, indeks górny, plus, koniec indeksu górnego, plus, N H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, indeks górny, minus, koniec indeksu górnego, a więc kwasami są substancje zawierające jon N H indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, indeks górny, plus, koniec indeksu górnego, a zasadami mające jon N H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, indeks górny, minus, koniec indeksu górnego., 1923 Teoria protolityczna W teorii protolitycznej, opracowanej przez J.N. Brønsteda i Th.M. Lowry’ego, kwasami są substancje, jony lub cząsteczki, które są donorami protonów (oddają jon wodoru), a zasadami — substancje, które są akceptorami protonów (przyłączają jon wodoru); w wyniku reakcji protolitycznej powstaje inny kwas i inna zasada., 1926 Teoria elektronowa W reakcjach przedstawionych przez Franklina woda może być zarówno kwasem, jak i zasadą — ma charakter amfoteryczny. Ponieważ w tych reakcjach następuje tworzenie wiązania koordynacyjnego, G.N. Lewis zaproponował teorię elektronową, uwzględniającą również inne reakcje podobnie przebiegające. Kwasami wg teorii Lewisa są jony lub cząsteczki mające niedobór elektronów, które mogą reagować z jonami lub cząsteczkami mającymi wolne pary elektronów; kwasy są więc akceptorami elektronów, a zasady — donorami elektronów., 1939 Teoria Usanowicza W 1939 r. Michaił Iljicz Usanowicz sformułował uogólnioną teorię kwasów i zasad. Zgodnie z jej postulatami kwasem nazwano cząsteczkę zdolną do odszczepiania kationów (w tym protonu) lub przyłączania anionów (w tym elektronów). Natomiast zasadą nazwano cząsteczkę zdolną do przyłączania protonów i innych kationów lub oddawania elektronów i innych anionów. Dodatkowo teoria ta zakładała włączenie do oddziaływań kwasowo‑zasadowych reakcji utleniania i redukcji., 1963 Teoria twardych i miękkich kwasów Wzajemną reaktywność kwasów i zasad Lewisa objaśnia teoria twardych i miękkich kwasów, opracowana przez R.G. Pearsona. Akceptory protonów, odznaczające się małą polaryzowalnością, a więc małą zdolnością do deformacji powłok elektronowych pod wpływem pola elektrycznego partnera reakcji, zalicza się do kwasów twardych (np. H indeks górny, plus, koniec indeksu górnego, M g indeks górny, dwa, plus, koniec indeksu górnego, C O indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego), a akceptory wykazujące dużą polaryzowalność — do kwasów miękkich (np. A g indeks górny, plus, koniec indeksu górnego, I indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego). Zasadami twardymi są donory elektronów o małej polaryzowalności (np. O H indeks górny, minus, koniec indeksu górnego, F indeks górny, minus, koniec indeksu górnego, N H indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego), miękkimi zaś — donory o dużej polaryzowalności (np. S indeks górny, dwa, minus, koniec indeksu górnego, C N indeks górny, minus, koniec indeksu górnego, C O). Kwasy twarde reagują przede wszystkim z zasadami twardymi, a kwasy miękkie z miękkimi zasadami. Teoria ta wyjaśnia zachodzenie wielu reakcji związków organicznych i nieorganicznych.
bg‑azure
Teoria jonowa Arrheniusa
W 1877 r. Svante Arrhenius, szwedzki naukowiec, zaproponował postulaty, które obecnie nazywamy teorią kwasowo‑zasadową Arrheniusateoria Arrheniusateorią kwasowo‑zasadową Arrheniusa. W myśl tej teorii, jako kwasy określa się substancje, które w wyniku dysocjacji elektrolitycznejdysocjacja elektrolitycznadysocjacji elektrolitycznej odszczepiają jon wodoru (proton), a jako zasady — substancje ulegające dysocjacji z odszczepieniem jonu wodorotlenkowego OHIndeks górny ––:
Dla zainteresowanych
Postulaty Arrheniusa
I: Kwasy, zasady i sole pod wpływem wody rozpadają się na jony dodatnie (kationy) i ujemne (aniony).
II: Wartość ładunku elektrycznego zgromadzona na kationach jest równa ładunkowi zgromadzonemu na anionach. Roztwór jest elektrycznie obojętny.
III: Słabe elektrolity w roztworze wodnym ulegają dysocjacji w niewielkim stopniu.
bg‑azure
Kwasy Arrheniusa
W teorii Arrheniusa kwasem jest substancja, która dysocjuje z odszczepieniem kationu wodoru oraz wytworzeniem anionu reszty kwasowej. Przykładem jest zapisana już wcześniej reakcja dysocjacji .
Ważne!
Pamiętaj, że w praktyce dodatnio naładowane protony reagują z otaczającymi je cząsteczkami wody i tworzą jony oksoniowe . Ta reakcja może być zapisana w formie:
Dlatego, mimo że w procesie dysocjacji kwasu powstaje kation wodoru, należy pamiętać, że w wodnym roztworze nie znajdują się wolne jony .
bg‑azure
Zasady Arrheniusa
Zgodnie z klasyczną teorią Arrheniusa, zasady są definiowane jako substancje, które w czasie dysocjacji odszczepiają i dostarczają do wody jon . Przykładem jest reakcja dysocjacji wodorotlenku sodu w środowisku wodnym.
Wodorotlenek sodu ulega całkowitej dysocjacji, tworząc jony i , przez co wzrasta stężenie jonów hydroksylowych. Zasadami Arrheniusa są też inne wodorotlenki pierwiastków z grupy 1. i 2. układu okresowego (np. i ).
bg‑azure
Reakcje zobojętnienia
W reakcji kwasu Arrheniusa, z zasadą Arrheniusa powstają zazwyczaj woda i sól. Reakcje tego typu nazywane są reakcjami zobojętniania. Zachodzą między jonami oksoniowymi a jonami wodorotlenkowymi . Na przykład reakcja kwasu chlorowodrowego z wodnym roztworem wodorotlenku sodu:
Można uznać, że badania poczynione przez Arrheniusa stały się podstawą do utworzenia najbardziej klasycznej teorii kwasowo‑zasadowej. Teoria ta ma jednak wiele ograniczeń, do których należy zaliczyć m.in.:
ograniczenie definicji kwasów i zasad do środowiska wodnego; nie wyjaśnia zatem zachowania indywiduów chemicznych, np. w ciekłym amoniaku;
klasyczna teoria Arrheniusa rozpatrywała tylko substancje chemicznie obojętne, a nie brała pod uwagę zachowania jonów – stąd definiowała np. jako kwas, ale nie wyjaśniała zachowania np. jonu w środowisku wodnym; na tej podstawie nie jest możliwe wyjaśnienie np. kwasowego odczynu roztworu ;
w myśl przedstawionej definicji, zasady są to substancje, które odszczepiają i dostarczają jony wodorotlenkowe – teoria ta nie wyjaśnia więc, dlaczego po rozpuszczeniu w wodzie roztwór przyjmuje zasadowy odczyn.
Prace poczynione przez Arrheniusa stały się punktem wyjścia do powstania bardziej zawansowanych teorii kwasowo‑zasadowych, takich jak np. teoria Brønsted-Lowry'ego.
Słownik
dysocjacja elektrolityczna
dysocjacja elektrolityczna
proces rozpadu cząsteczek elektrolitów (kwasów, zasad, soli), pod wpływem wody w roztworach, na dodatnio i ujemnie naładowane cząstki, tj. jony
teoria Arrheniusa
teoria Arrheniusa
teoria kwasów i zasad, zgodnie z którą kwasem jest substancja dysocjująca w roztworze wodnym z odszczepieniem jonu wodoru (), zasadą zaś substancja odszczepiająca jony wodorotlenkowe () podczas dysocjacji.
Bibliografia
Fierz‑Dawid H. E., Historia rozwoju chemii, Warszawa 1958, s. 404‑406.
Gerard I. D., O chemii i chemikach, Warszawa 1973, s. 268‑271.
Pigoń K., Ruziewicz Z., Chemia fizyczna, Podstawy fenomenologiczne, t. 1, Warszawa 2005.