Аррениустің, Льюистің және Брэнстед-Лоуридің теориялары тұрғысынан қышқылдар мен негіздердің түсініктемесі. Химия, 11 сынып, дидактикалық материал.

 Қышқылдар мен негіздердің теориялары

 Аррениустің диссоциация теориясы. Қышқылдардың қазіргі атауын алғаш рет 1887 жылы швед химигі Сванте Аррениус ұсынды. Оның анықтамасы бойынша, қышқылдар дегеніміз сулы ерітінділерде сутек иондарын (протондар) түзіп диссоциацияланатын заттар. Қышқылдар суда ерігенде, су молекулаларымен бірігіп, гидроксоний иондарын түзеді.

 Аррениустың анықтамасы бойынша, негіздер – сулы ерітіндіде гидроксид иондарын түзіп диссоциацияланатын заттар.

 Қышқылдар диссоциациясы

 Қышқылдар – диссоциацияланғанда H⁺ сутек катионын және қышқыл қалдығы анионын түзетін заттар.

 Қышқылдардың диссоциациялану теңдеуі төмендегідей жазылады:

 HCl ⇄ H⁺ + Cl ^–

 HNO₃ ⇄ H⁺ + NO₃^–

 Қышқылдардың негізділігі сутек атомдарының санымен анықталады. Көпнегізді қышқылдар сатылап диссоциацияланады:

 1-саты: H₂SO₄ ⇄ H⁺ + НSO₄^–

  анионы – гидросульфат ионы деп аталады.

 2-саты: НSO₄^– ⇄ H⁺ + SO₄^2–

  анионы – сульфат ионы деп аталады.

 Жинақталған диссоциация теңдеуі: H₂SO₄ ⇄ 2H⁺ + SO₄^2–

 Сутек катиондарының H⁺ болуы қышқылдардың жалпы қасиеттерін сипаттайды.

 Негіздер диссоциациясы

 Негіздер – диссоциацияланғанда анион ретінде тек гидроксид ион OH ^– түзетін электролиттер. Негіздердің диссоциациялану теңдеуі келесідей жазылады:

 Күшті негіздер, сілті:

 NaOH ⇄ Na ⁺ + OH ^–

 Ba(OH)₂ ⇄ Ba ²⁺ + 2OH ^–

 Әлсіз негіздер:

 Fe(OH)₂ ⟷ FeOH ⁺ + OH ^– (1 саты)

 FeOH ⁺ ⟷ Fe ²⁺ + OH ^– (2 саты) аздап диссоциацияланады.

 Гидроксид анионының OH ^– болуы негіздердің жалпы қасиеттерін сипаттайды.

 Қышқылдар мен негіздердің диссоциациялану механизмі

 Қышқылдар мен негіздер әрекеттесіп, тұз бен су түзеді. Мұндай реакция түрі бейтараптандыру реакциясы деп аталады.

 Тұз — катионы Н⁺ емес және анионы OH^– емес иондық қосылыс.

 Қышқыл мен негіздің әрекеттесуі сулы ортада мына схемамен жүреді:

 қышқыл + негіз = тұз + су

 Н_хR + Ме(ОН)_х= МеR+хН₂О

 Аррениус теориясының кемшіліктері:

 Аррениустың қышқылдар және негіздер теориясы сулы ерітінділермен шектеледі. Ол судан басқа газды фазада немесе басқа орталарда өтетін реакциялар үшін қолданыла алмайды.

 Аррениус теориясы түсіндіре алмады:

 1. Неліктен молекулалық қосылыстардың сулы ерітінділері (мысалы, аммиактың ерітіндісі) құрамында OH^– ионы болмаса да негіздік қасиет көрсететінін;

 2. Неліктен иондық қосылыстардың сулы ерітінділері (мысалы, натрий карбонатының немесе натрий оксидінің сулы ерітінділері) құрамында OH^– ионы болмаса да негіздік қасиет көрсететінін;

 3. Неліктен молекулалық қосылыстардың сулы ерітінділері (мысалы, көмірқышқыл газының ерітіндісі) құрамында H⁺ ионы болмаса да қышқылдық қасиет көрсететінін.

 1923 жылы Г.Н.Льюис көптеген химиялық реакцияларды түсіндіретін, оның ішінде сулы ерітіндідегі металл иондарының реакцияларын түсіндіруге мүмкіндік беретін қышқыл мен негізді анықтаудың жаңа электрондық теориясын ұсынды. 

 Льюис қышқылы – электрондық жұп қосып алып, коваленттік байланыс түзетін зат, ал Льюис негізі – сол коваленттік байланысты түзу үшін электрондық жұпты беретін зат.

 Металл иондары оң зарядталған және әдетте бос электрондық орбитальдарға ие, сондықтан олар электрондық жұптың тиімді акцепторы болады. Сулы ерітіндіде металл иондары (Льюис қышқылдары) су молекулаларымен (Льюис негіздері) донорлы-акцепторлы әсерлесу арқылы комплексті иондар түзеді. 

  F Н F Н

F В + :N Н F В N Н Н

  F Н F Н

  _{қышқыл негіз комплекс}

 Льюис теориясының кемшіліктері:

 1) протонды қышқылдар (НСІ, Н₂SO₄) қышқылдық-негіздік әрекеттесу негізінде электрон жұптарын қоспайтынын түсіндіре алмайды;

 2) қышқыл мен негіздің күштерін өзара салыстыруға келмейді.

 1923 жылы бір-біріне тәуелсіз екі ғалым Бренстед және Лоури қышқылдар мен негіздердің сулы және сондай-ақ сулы емес орталардағы тәртібін сипаттайтын жалпы анықтамасын жасап шығарды. Ол протондық теория деп аталды.

 Бұл теория бойынша: реакцияларда қышқылдар протондарды беретін болса, ал протондарды қосатын заттарды негіздер деп атады. Қышқыл мен негіздің әрекеттесуін мына схемамен көрсетуге болады:

қышқыл HA ⟶ H⁺ + A⁻ негіз B + H⁺ ⟶ BH⁺

 Реакция жүру үшін аралық сатыда қышқыл құрамындағы сутек пен негіздің арасында сутектік байланыс орнайды десек, негіз – электрон жұптарының доноры, ал қышқыл – электрон жұптарының акцепторы болып табылады (Брэнстед-Лоури теориясының 1-қағидасы).

  Барлық қышқылдар сулы ерітіндіде диссоцияланып, гидроксоний иондарын түзеді. Олар Бренстед-Лоури теориясына сәйкес қышқылдарға берілген анықтаманы қанағаттандырады, себебі су молекуласына протон береді.

 Бренстед-Лоури теориясы сулы және сулы емес орталарда өтетін қышқылды-негізді реакцияларды түсіндіреді. 

 Бір молекула немесе ион Бренстед-Лоури теориясы бойынша протонды қабылдауы немесе беруіне байланысты қышқыл да негіз де бола отырып, амфотерлік (екідайлы) қасиет көрсетеді. Бұл қосылыстарды амфолиттер (амфипротты қосылыстар) деп атайды. Амфолиттерге HCO₃^- және HPO₄^2- аниондары, CH₃COOH жатады.

 Су молекулалары гидроксоний және гидроксид иондарын түзе отырып, бір-бірімен өзара әрекеттесуге қабілетті. Бейтарап бөлшектерден екі электрлік зарядталған ион түзілетін реакция автоиондану реакциясы деп аталады. Реакция кезінде су молекулаларының біреуі протонын беріп, қышқыл ретінде әрекет етсе, басқа біреуі сол протонды қабылдап, негіз ретінде әрекет етеді. Барлық су молекулаларының өте аз бөлігі ғана аталған реакцияға ұшырайды, сол себепті су өте әлсіз электролит болып табылады.

 Н₂О+Н₂О=(Н –О ......Н – О) = Н₃О ⁺ + ОН^- (1)

  _{негіз қышқыл} Н Н _{қышқыл негіз}

  Н₃О⁺+ОН^-=2Н₂О (2)

  _{қышқыл негіз екідайлы зат}

Н₂SO₄ +H₂O=H₃O⁺+HSO₄^- (3)

  _{қышқыл (1) негіз (2) қышқыл (2) негіз (1)}

  NH₄ ⁺+ H₂O = NH₃ + H₃O⁺ (4)

 _{қышқыл (1) негіз (2) негіз (1) қышқыл (2)}

  (3,4) – реакциялар судың екідайлы қасиетін дәлелдейді.

 NH₃+NH₃↔(H₃N---HNH₂)↔ NH₄⁺ + NH₂^- (5)

 _{негіз (1) қышқыл (1) қышқыл (2) негіз (2)}

 NH₂^-+H₂O↔NH₃+OH^- (6)

 _{негіз (1) қышқыл (2) қышқыл (1) негіз (2)}

 NH₄⁺+NH₂^-→2NH₃ (7)

 _{қышқыл негіз екідайлы зат}

 Брэнстед-Лоури теориясының 2-қағидасы: Ерітіндіде әр қышқылға оған түйіндес негіз сәйкес келеді және керісінше негізге – қышқыл, яғни қышқыл-негіздік түйіндес жұп болу керек. Түйіндес қышқылдың формуласында әрдайым сәйкес түйіндес негіздің формуласына қарағанда бір артық протон болады. 

 Брэнстед-Лоури теориясының 3-қағидасы: Қышқыл-негіздік тепе-теңдікте әрқашан екі қышқыл-негіздік жұп қатысады, себебі H⁺ (протон) ерітіндіде бос күйінде бола алмайды, ол энергиялық белсенді, сондықтан біреуі осы протонды берсе, басқасы осы протонды лезде байланыстырып алады

 Брэнстед-Лоури теориясының 4-қағидасы: Барлық қышқыл-негіздік реакциялар белгілі бір еріткіште жүзеге асады.

 Бренстед-Лоури теориясы бойынша бөлшектердің қышқылдық-негіздік қасиеттері протонды қосу немесе беру қабілеттерін салыстыру арқылы анықталады. Бөлшек неғұрлым протонды оңай берсе, оның қышқылдық қасиеті басым болады, ал оны толықтырушы бөлшектің протонды қосу мүмкіндігі аз болады, мысалы НСІ, Н₂SO₄- күшті қышқылдар, олардан протон оңай бөлінеді, ал қышқыл қалдықтары СІ^-, НSO₄^- протонды нашар қосады, сондықтан олар әлсіз негіздерге жатады.

 H₃O⁺ -Н₂SO₄ - NH₄ ⁺ - H₂O

 Қышқылдық қасиет артады

 H₂O - НSO₄^- - NH₃ - OH^-

 Негіздік қасиет артады

 Берілген қышқылдармен түйіскен негіздердің қасиеті қарама-қарсы бағытпен орналасады, яғни ең күшті қышқылға ең әлсіз негіз сәйкес келеді, ал ең әлсіз қышқылға – ең күшті негіз.

 Аталған теориялардың әрқайсысы қышқылдар мен негіздерді әр қырынан сипаттап, бірін-бірі толықтырады.