Czy Arrhenius stworzył teorię kwasów i zasad?
Historia definiowania kwasów i zasad
Teoria jonowa Arrheniusa
W 1877 r. Svante Arrhenius, szwedzki naukowiec, zaproponował postulaty, które obecnie nazywamy teorią kwasowo‑zasadową Arrheniusateorią kwasowo‑zasadową Arrheniusa. W myśl tej teorii, jako kwasy określa się substancje, które w wyniku dysocjacji elektrolitycznej odszczepiają jon wodoru (proton), a jako zasady — substancje ulegające dysocjacji z odszczepieniem jonu wodorotlenkowego OHIndeks górny ––:
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.
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 .
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 .
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 ).
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.
Przenieś się teraz na Uniwersytet w Uppsali na wykład Arrheniusa, zapoznaj się z jego nową teorią kwasów i zasad, a następnie – na podstawie uzyskanych informacji – rozwiąż poniższe zadania.
Czy Arrhenius stworzył teorię kwasów i zasad?
Jeżeli weźmiemy po jednym molu jakichkolwiek związków chemicznych, to zobaczymy, że powodują one taką samą zmianę w temperaturze zamarzania i wrzenia jednego kilograma roztworu.
Tymi słowy Svante Arrhenius rozpoczął swój wykład podsumowujący i zamykający jego przewód doktorski na uniwersytecie w Uppsali.
Efekt ten jest niezależny od tego, jak są te związki zbudowane. Identyczny więc efekt zmiany temperatur topnienia i wrzenia roztworu względem czystego rozpuszczalnika zaobserwujemy, gdy w kilogramie wody rozpuścimy mol niewielkich cząsteczek alkoholu, jak również mol względnie dużych i złożonych cząsteczek cukru.
Per Teodor Cleve, jeden z profesorów pracujących na uniwersytecie w Uppsali, przysłuchiwał się uważnie prelegentowi. Dobrze znał wyniki badań Jacobusa van’t Hoffa, które właśnie streszczał Arrhenius.
Okazuje się jednak, co bezsprzecznie wykazałem, iż istnieją substancje chemiczne, które powodują większe podwyższenie temperatury wrzenia i obniżenie temperatury krzepnięcia, niż wynikałoby to z dotychczas znanych teorii. Okazuje się, że roztwór jedenego mola chlorku sodu zachowuje się tak, jak gdyby obecne w nim były dwa mole drobin.
Nie pozostaje więc nic innego, jak założyć, że jeden mol chlorku sodu pod postacią kryształu, w trakcie rozpuszczania się w wodzie, ulega rozpadowi nie na jeden mol cząsteczek chlorku sodu, jak dotychczas sądzono, ale na dwa mole oddzielnych cząstek chloru i sodu, naładowanych elektrycznie. Drobiny te nazwałem jonami.
- Zatem wierzy Pan w to, że w zlewce z roztworem chlorku sodu atomy sodu i atomy chloru pływają oddzielnie? - rozległo się pytanie z sali - Tak, dokładnie! - odparł Arrhenius. Nie pływają one jednak jako obojętne elektrycznie cząstki. Atomy sodu naładowane są dodatnio, a atomy chloru niosą ze sobą ładunek ujemny. Skoro więc liczba kationów sodu równa jest liczbie anionów chlorkowych, cały roztwór pozostaje elektrycznie obojętny.
Po sali rozeszły się ciche pomrukiwania. Per Teodor Cleve, przysłuchujący się wystąpieniu, spojrzał z ukosa na sąsiada siedzącego w ławie obok. W jego wzroku widoczne było powątpiewanie w zdrowy chemiczny rozsądek prelegenta.
Svante Arrhenius, nie bacząc na poruszenie w sali audytoryjnej, kontynuował swój wywód.
Podobnie zachowują się znane nam dobrze kwasy, takie jak kwas azotowy czy kwas solny. Dane doświadczalne potwierdzają, że cząsteczki kwasu solnego rozpadają się w wodzie na dwie drobiny – kationy wodoru i aniony chlorkowe. Przekonać się o tym możemy, jeśli przez owy roztwór przepuszczać będziemy stały prąd elektryczny. Okaże się wówczas, że taki roztwór, w przeciwieństwie do roztworu alkoholu czy cukru w wodzie, bardzo dobrze przewodzi prąd elektryczny, za co odpowiadają swobodne jony obdarzone ładunkami elektrycznymi. Zaobserwujemy dodatkowo, że jony wodoru dążą do elektrody ujemnej, co dowodzi, iż posiadają ładunek dodatni. Na tej elektrodzie kationy wodoru łączą się z elektronami, tworząc atomy, a następnie cząsteczki wodoru, które wydzielają się w formie drobnych pęcherzyków gazu. Jony chloru zaś, posiadając ładunek ujemny, dążą do elektrody dodatniej, gdzie porzucają swój nadmiarowy ładunek ujemny i przekształcają się w gazowy chlor.
Arrhenius zauważył zmianę w nastrojach słuchaczy. Atmosfera na sali zagęszczała się. Niektórzy patrzyli na niego z powątpiewaniem i szeptali coś między sobą. U innych słuchaczy Svante zauważył oznaki zaskoczenia oraz pewnego olśnienia, jakby pojęli wagę nowej teorii, którą opracował.
Podobne wyniki uzyskałem, badając wodne roztwory wodorotlenków. Kryształy wodorotlenków potasu, sodu i wapnia rozpadają się w wodzie na kationy metali oraz aniony wodorotlenkowe.
Przedstawione dane eksperymentalne pozwalają na zaproponowanie nowej teorii kwasów i zasad. Kwasami należy więc nazwać te substancje, które w roztworze wodnym rozpadają się na aniony i kationy wodoru, warunkujące kwaśny smak kwasów i zmianę barwy wskaźników. Zasadami zaś są te substancje, które, rozpuszczane w wodzie, ulegają rozpadowi na kationy metali i aniony wodorotlenkowe.
Arrhenius odłożył kredę i uporządkował swoje notatki. Na sali zapanowała cisza. Nagle kilkoro młodych naukowców wstało i entuzjastycznie zaczęło bić brawo. Po chwili inni słuchacze przyłączyli się do nich.
Cóż za brednie! – mruknął pod nosem Cleve i opuścił audytorium z nikim nie rozmawiając.
Fierz-Dawid H. E., Historia rozwoju chemii, Warszawa 1958, s. 404-406.
Gerard I. D., O chemii i chemikach, Warszawa 1973, s. 268-271, licencja: CC BY-SA 3.0.
Spośród wymienionych niżej związków wybierz te, które są kwasami, oraz te, które są zasadami wg teorii Arrheniusa. Przyporządkuj wybrane związki do odpowiedniej rubryki w tabeli.