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.

הגדרות חומצה בסיס
הרעיון של תגובת חומצה-בסיס הוצע לראשונה ב-1754 על ידי , שהציג לראשונה את המושג בסיס, כדי לתאר חומר, שמתאפשר לו להגיב עם חומצה.

הגדרת לבואזיה
מפתח נוסף של רעיון הבסיסים והחומצות בכימיה בשלביה 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 שלא היה מודע להרכבן האמיתי של החומצות ההלידיות, לרבות מימן ברומי ומימן יודי, הוא הגדיר את החומצות הללו ככאלו 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 חומצות המכילות הליד, 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.

תאורית המימן של ליביג לחומצות
ב-1838 הציע יוסטוס פון ליביג שחומצה היא תרכובת המכילה מימן, שאותו ניתן להחליף במתכת. הגדרה מחודשת 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.

הגדרת ארניוס
ממוזער|158x158 פיקסלים|סוונטה 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+); כלומר, חומצה מגבירה את ריכוז יוני H+ בתמיסה מימית.

זה גורם לפרוטונציה של מים, או ליצירת יון ההידרוניום (H3O+). לפיכך, בתקופה המודרנית, הסמל H+ מתפרש כקיצור של H3O+, מכיוון שכיום ידוע שפרוטון בלבד אינו קיים כצורון חופשי בתמיסה מימית.
 בסיס ארניוס הוא חומר שעובר דיסוציאציה במים ליצירת יוני הידרוקסיד (OH-); כלומר, בסיס מגביר את ריכוז יוני 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, H2SO4 ו-HCl טהורים המומסים בטולואן אינם חומציים, ו-NaOH מותך ותמיסות של סידן אמיד באמוניה נוזלית אינם בסיסיים.

הגדרת 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+) - 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+

כאשר HA מייצגת את החומצה, B מייצגת את הבסיס, BH+ מייצגת את החומצה המצומדת של B, ו-A- מייצגת את הבסיס המצומד של HA.
לדוגמה, מודל ברונסטד-לאורי לפירוק חומצה הידרוכלורית (HCl) בתמיסה מימית יהיה הבא:

HCl + H2O <=> H3O+ + Cl-

הסרת H+ מ-HCl מייצרת את יון הכלוריד, Cl-, הבסיס המצומד של החומצה. ההוספה של H+ ל-H2O (הפועל כבסיס) יוצרת את יון ההידרוניום, 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:

H2O + H2O <=> H3O+ + OH-

כדוגמה למים הפועלים כחומצה, שקוהל תמיסה מימית של פירידין, C5H5N:

C5H5N + H2O <=> [C5H5NH]+ + OH-

בדוגמה זו, מולקולת מים מתפצלת לשני יונים: יון 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:

CH3COOH + NH3 <=> NH4^+ + CH3COO-

יון H+ מוסר מחומצה אצטית, ויוצר את הבסיס המצומד שלו, יון אצטט, CH3COO-. הוספת יון H+ למולקולת אמוניה של הממס יוצרת את החומצה המצומדת שלו, יון האמוניום, NH4+.
המודל של ברונסטד-לאורי מסווג חומרים המכילים מימן (כמו HCl) חומצות. לפיכך, חלק מהחומרים, אשר כימאים רבים ראו בהם חומצות, כגון SO3 או 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 ו-KNH2 אינם נחשבים בסיסי ברונסטד, אלא מלחים המכילים את הבסיסים OH- ו-NH2-.

הגדרת לואיס
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 זו לא פורסמה 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:

BF3 + F- ->BF4-

היא תגובת חומצה-בסיס טיפוסית המדגימה את הגדרת לואיס.

הגדרת לוקס פלד
תאוריית חומצה-בסיס זו היא 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) + CO2(acid) -> MgCO3

CaO (base) + SiO2 (acid) -> CaSiO3

NO3^- (base) + S2O7^-2 (acid) -> NO2^+ + 2SO4^-2

קישורים חיצוניים

 הערות שוליים 

קטגוריה:בסיסים
קטגוריה:חומצות
קטגוריה:כימיה
קטגוריה:כימיה של שיווי משקל