תגובת חומצה-בסיס

תגובת חומצה-בסיס היא תגובה כימית המתרחשת בין חומצה לבסיס. תגובה זו יכולה להתרחש כחלק מטיטרציית חומצה-בסיס לצורך קביעת pH. מספר מסגרות תאורטיות מספקות תפיסות חלופיות של מנגנוני התגובה ויישומם בפתרון בעיות קשורות; אלה נקראות תאוריות חומצה-בסיס. הרעיון של תגובת חומצה-בסיס הוצע לראשונה ב-1754 על ידי גיום-פרנסואה רואל, שהציג לראשונה את המושג בסיס, כדי לתאר חומר, שמתאפשר לו להגיב עם חומצה. מפתח נוסף של רעיון הבסיסים והחומצות בכימיה בשלביו המוקדמים היה המדען הצרפתי אנטואן לבואזיה, שעשה זאת ב-1776. כיוון שהידע של לבואזיה באשר לחומצות חזקות היה מוגבל בעיקר לחומצות המכילות חמצן, לרבות חומצה חנקתית וחומצה גופרתית, שהכילו אטומים בדרגת חמצון גבוהה, וכיוון שהוא לא היה מודע להרכבו האמיתי של מימן המורכב מהליד, לרבות מימן ברומי ומימן יודי, הוא הגדיר את החומצות הללו כאלה המכילות חמצן. כדי לתאר את המילה "חמצן", הוא השתמש במילים היווניות ὀξύς (אוֹקְסִיס), שמשמעה "חומצה" ו-γεινομαι (גֵינוֹמַאי), שמשמעה "יוצר", דהיינו: יוצר חומצה. הגדרתו של לבואזיה עמדה בתוקף במשך שלושים שנה, עד שב-1810 הכימאי הבריטי האמפרי דייווי הוכיח כי מספר צורות של מימן המורכב מהליד, לרבות מימן גופרי, אינן כוללות חמצן, בשונה מטענתו של לבואזיה. חרף כך, דייווי כשל בפיתוח תיאוריה נוספת, שתחליף את זו האחרונה של לבואזיה. תיקון נוסף לתאוריה זו של לבואזיה הוענקה על ידי הכימאי ינס יאקוב ברצליוס, שטען כי חומצות הן תחמוצות של אל-מתכות, ואילו בסיסים הם דווקא תחמוצות של מתכות. ב-1838 הציע יוסטוס פון ליביג שחומצה היא תרכובת המכילה מימן שניתן להחליף את המימן שלה במתכת. הגדרה מחדש זו התבססה על עבודתו המקיפה אודות ההרכב הכימי של חומצות אורגניות, שהחליפה את החמצן במימן, כפי שביצע דייווי. ההגדרה של ליביג, על אף שהיא אמפירית לחלוטין, נשארה בשימוש כמעט 50 שנה עד לאימוץ הגדרת ארניוס. ההגדרה המודרנית הראשונה של חומצות ובסיסים במונחים מולקולריים הומצאה על ידי סוונטה ארניוס. תאוריית המימן של חומצות באה בעקבות עבודתו משנת 1884 עם פרידריך וילהלם אוסטוולד בביסוס נוכחות של יונים בתמיסה מימית והובילה את ארניוס לקבל את פרס נובל לכימיה ב-1903. כפי שהגדיר ארניוס: חומצת ארניוס היא חומר שעובר דיסוציאציה במים ליצירת יוני מימן ( H + {\displaystyle {\ce {H+}}} ); כלומר, חומצה מגבירה את ריכוז יוני H + {\displaystyle {\ce {H+}}} בתמיסה מימית. זה גורם לפרוטונציה של מים, או ליצירת יון ההידרוניום ( H 3 O + {\displaystyle {\ce {H3O+}}} ). לפיכך, בתקופה המודרנית, הסמל H + {\displaystyle {\ce {H+}}} מתפרש כקיצור של H 3 O + {\displaystyle {\ce {H3O+}}} , מכיוון שכיום ידוע שפרוטון בלבד אינו קיים כצורון חופשי בתמיסה מימית. בסיס ארניוס הוא חומר שעובר דיסוציאציה במים ליצירת יוני הידרוקסיד ( OH − {\displaystyle {\ce {OH-}}} ); כלומר, בסיס מגביר את ריכוז יוני OH − {\displaystyle {\ce {OH-}}} בתמיסה מימית. הגדרות ארניוס של חומציות ובסיסיות מוגבלות לתמיסות מימיות ואינן תקפות לרוב התמיסות הלא מימיות, והן מתייחסות לריכוז יוני הממס. לפי הגדרה זו, H 2 SO 4 {\displaystyle {\ce {H2SO4}}} ו- HCl {\displaystyle {\ce {HCl}}} טהורים המומסים בטולואן אינם חומציים, ו-NaOH מותך ותמיסות של סידן אמיד באמוניה נוזלית אינם בסיסיים. ערך מורחב – תאוריית ברונסטד–לאורי ההגדרה של ברונסטד-לאורי, שנוסחה בשנת 1923, באופן עצמאי על ידי יוהאנס ניקולאוס ברונסטד בדנמרק ומרטין לאורי באנגליה, מבוססת על הרעיון של פרוטונציה של בסיסים באמצעות דה-פרוטונציה של חומצות - כלומר, היכולת של חומצות "למסור" יוני מימן ( H + {\displaystyle {\ce {H+}}} ) - הידועים גם בשם פרוטונים - לבסיסים, אשר "מקבלים" אותם. תגובת חומצה-בסיס היא, אם כן, מסירת יון מימן מהחומצה והוספתו לבסיס. ניתוק יון מימן מחומצה מייצר את הבסיס המצומד שלו, שהוא החומצה עם יון מימן שהוסר. קליטה של פרוטון על ידי בסיס מייצרת את החומצה המצומדת שלו, שהיא הבסיס עם יון מימן נוסף. בניגוד להגדרות הקודמות, ההגדרה של ברונסטד-לאורי אינה מתייחסת ליצירת מלח וממס, אלא ליצירת חומצות מצומדות ובסיסים מצומדים, הנוצרים על ידי מסירה של פרוטון מהחומצה לבסיס. בגישה זו, חומצות ובסיסים שונים מהותית בהתנהגותם ממלחים, הנראים כאלקטרוליטים, בכפוף לתיאוריות של דביי, אונסאגר ואחרות. חומצה ובסיס מגיבים לא לשם יצירת מלח וממס, אלא ליצירת חומצה חדשה ובסיס חדש. מושג הסתירה נעדר אפוא. התנהגות חומצה-בסיס של ברונסטד-לאורי אינה תלויה רשמית בכל ממס, מה שהופך אותה למקיפה יותר ממודל ארניוס. הנוסחה הכללית לתגובות חומצה-בסיס לפי הגדרת ברונסטד לאורי היא: HA + B ↽ − − ⇀ A − + HB + {\displaystyle {\ce {HA + B <=> A- + HB+}}} כאשר HA {\displaystyle {\ce {HA}}} מייצגת את החומצה, B {\displaystyle {\ce {B}}} מייצגת את הבסיס, BH + {\displaystyle {\ce {BH+}}} מייצגת את החומצה המצומדת של B {\displaystyle {\ce {B}}} , ו- A − {\displaystyle {\ce {A-}}} מייצגת את הבסיס המצומד של HA {\displaystyle {\ce {HA}}} . לדוגמה, מודל ברונסטד-לאורי לפירוק חומצה הידרוכלורית ( HCl {\displaystyle {\ce {HCl}}} ) בתמיסה מימית יהיה הבא: HCl + H 2 O ↽ − − ⇀ H 3 O + + Cl − {\displaystyle {\ce {HCl + H2O <=> H3O+ + Cl-}}} הסרת H + {\displaystyle {\ce {H+}}} מ- HCl {\displaystyle {\ce {HCl}}} מייצרת את יון הכלוריד, Cl − {\displaystyle {\ce {Cl-}}} , הבסיס המצומד של החומצה. ההוספה של H + {\displaystyle {\ce {H+}}} ל- H 2 O {\displaystyle {\ce {H2O}}} (הפועל כבסיס) יוצרת את יון ההידרוניום, H 3 O + {\displaystyle {\ce {H3O+}}} , החומצה המצומדת של הבסיס. מים הם אמפוטריים - כלומר, הם יכולים לפעול גם כחומצה וגם כבסיס. מודל ברונסטד-לאורי מסביר זאת, ומראה את פירוק המים לריכוזים נמוכים של יוני הידרוניום והידרוקסיד: H 2 O + H 2 O ↽ − − ⇀ H 3 O + + OH − {\displaystyle {\ce {H2O + H2O <=> H3O+ + OH-}}} כדוגמה למים הפועלים כחומצה, שקוהל תמיסה מימית של פירידין, C 5 H 5 N {\displaystyle {\ce {C5H5N}}} : C 5 H 5 N + H 2 O ↽ − − ⇀ [ C 5 H 5 NH ] + + OH − {\displaystyle {\ce {C5H5N + H2O <=> [C5H5NH]+ + OH-}}} בדוגמה זו, מולקולת מים מפוצלת ליון מימן, שנתרם למולקולת פירידין, ויון הידרוקסיד. במודל ברונסטד–לאורי, הממס לא בהכרח חייב להיות מים, כפי שנדרש במודל של ארניוס. לדוגמה, נבחן מה קורה כאשר חומצה אצטית, CH3COOH, מתמוססת באמוניה נוזלית: CH 3 COOH + NH 3 ↽ − − ⇀ NH 4 + + CH 3 COO − {\displaystyle {\ce {CH3COOH + NH3 <=> NH4^+ + CH3COO-}}} יון H + {\displaystyle {\ce {H+}}} מוסר מחומצה אצטית, ויוצר את הבסיס המצומד שלו, יון אצטט, CH 3 COO − {\displaystyle {\ce {CH3COO-}}} . הוספת יון H + {\displaystyle {\ce {H+}}} למולקולת אמוניה של הממס יוצרת את החומצה המצומדת שלו, יון האמוניום, NH 4 + {\displaystyle {\ce {NH4+}}} . המודל של ברונסטד-לאורי מסווג חומרים המכילים מימן (כמו HCl {\displaystyle {\ce {HCl}}} ) חומצות. לפיכך, חלק מהחומרים, אשר כימאים רבים ראו בהם חומצות, כגון SO 3 {\displaystyle {\ce {SO3}}} או BCl 3 {\displaystyle {\ce {BCl3}}} , אינם נכללים בסיווג זה בשל מחסור במימן. גילברט נ. לואיס כתב ב-1938 כי "הגבלה של קבוצת החומצות לאותם חומרים המכילים מימן מהווה התערבות כה גדולה בהבנה הסיסטמטית של הכימיה כמו ההגבלה של המונח "גורם מחמצן" לחומרים המכילים חמצן". יתר על כן, KOH {\displaystyle {\ce {KOH}}} ו- KNH 2 {\displaystyle {\ce {KNH2}}} אינם נחשבים בסיסי ברונסטד, אלא מלחים המכילים את הבסיסים OH − {\displaystyle {\ce {OH-}}} ו- NH 2 − {\displaystyle {\ce {NH2-}}} . הדרישה לאטום מימן, אותה הציגו ארניוס וברונסטד-לאורי, הוסרה בידי הגדרת לואיס של תגובות חומצה-בסיס, שהומצאה על ידי גילברט נ. לואיס ב-1923, באותה שנה כמו ברונסטד-לאורי, אבל זה לא פורסם על ידו עד 1938. במקום להגדיר תגובות חומצה-בסיס במונחים של פרוטונים או חומרים קשורים אחרים, ההגדרה של לואיס מגדירה בסיס (המכונה בסיס לואיס) כתרכובת שיכולה לתרום זוג אלקטרונים, וחומצה (חומצה לואיס) כתרכובת שיכולה לקבל את זוג האלקטרונים הזה. לדוגמה, בורון טריפלואוריד הוא חומצת לואיס טיפוסית. ליון הפלואוריד יש אוקטט מלא והוא יכול לתרום זוג אלקטרונים. לכן: BF 3 + F − ⟶ BF 4 − {\displaystyle {\ce {BF3 + F- ->BF4-}}} היא תגובת חומצה-בסיס טיפוסית המדגימה את הגדרת לואיס. תאוריית חומצה-בסיס זו התאוריה שהוצעה על ידי הכימאי הגרמני הרמן לוקס בשנת 1939, ושופרה עוד יותר על ידי האקון פלד בסביבות 1947 והיא עדיין בשימוש בגיאוכימיה ואלקטרוכימיה מודרנית של מלחים מותכים. ההגדרה שלה מתארת חומצה כקולטת יון אוקסיד, ובסיס כתורם יון אוקסיד. לדוגמה: MgO ( base ) + CO 2 ( acid ) ⟶ MgCO 3 {\displaystyle {\ce {MgO (base) + CO2(acid) -> MgCO3}}} CaO ( base ) + SiO 2 ( acid ) ⟶ CaSiO 3 {\displaystyle {\ce {CaO (base) + SiO2 (acid) -> CaSiO3}}} NO 3 − ( base ) + S 2 O 7 − 2 ( acid ) ⟶ NO 2 + + 2 SO 4 − 2 {\displaystyle {\ce {NO3^- (base) + S2O7^-2 (acid) -> NO2^+ + 2SO4^-2}}} מדיה וקבצים בנושא תגובת חומצה-בסיס בוויקישיתוף Jensen, William B. (2006). "The origin of the term "base"". The Journal of Chemical Education. 83 (8): 1130. Bibcode:2006JChEd..83.1130J. doi:10.1021/ed083p1130. Franz, H. (1966). "Solubility of Water Vapor in Alkali Borate Melts". Journal of the American Ceramic Society. 49 (9): 473–477. doi:10.1111/j.1151-2916.1966.tb13302.x. Lux, Hermann (1939). ""Säuren" und "Basen" im Schmelzfluss: die Bestimmung. der Sauerstoffionen-Konzentration". Z. Elektrochem. (בגרמנית). 45 (4): 303–309. Flood, H.; Forland, T. (1947). "The Acidic and Basic Properties of Oxides". Acta Chemica Scandinavica. 1 (6): 592–604. doi:10.3891/acta.chem.scand.01-0592. PMID 18907702. Drago, Russel S.; Whitten, Kenneth W. (1966). "The Synthesis of Oxyhalides Utilizing Fused-Salt Media". Inorganic Chemistry. 5 (4): 677–682. doi:10.1021/ic50038a038.