Co to są kwasy i zasady?

Chemia fizyczna i analityczna, Reakcje w roztworach wodnych

1. Kwasy mają atom wodoru ?

Co wspólnego mają ze sobą związki chemiczne, które nazywamy kwasami? Można zauważyć parę podobieństw, które jednak nie zawsze muszą występować :

➤ kwaśny smak – tak zwany kwas octowy o wzorze CH₃COOH jest głównym składnikiem octu

➤ zdolność rozpuszczania (roztwarzania) metali ^[1]

➤ zabarwiają papierek wskaźnikowy na czerwono albo papierek lakmusowy (również na czerwono, a zasady zabarwiają na niebiesko)

➤ potrafią zneutralizować zasady

➤ są żrące

Nie są to jednak wystarczające kryteria, aby ocenić czy dany związek jest kwasem czy nie. Przykładowo kwas chlorowodorowy (HCl) nie reaguje z miedzią, a kwas azotowy HNO₃ już tak. Istnieją także kwasy milion razy mocniejsze od kwasu siarkowego, a które nie są żrące…

Degustacja kwasów w poszukiwaniu ich kwaśnego smaku nie do końca wydaje się dobrym pomysłem… Stworzono zatem definicję, która pozwoli nam zaklasyfikować związek jako kwas.

No dobra, nie lubimy definicji, ale ta jest naprawdę prosta. Spójrzmy na kilka kwasów, które już (pewnie) znamy :

HCl, HBr, HI, H₂SO₄ , HNO₃

Co wspólnego mają? Oczywiście atom wodoru! Niestety szybko gasimy nasz entuzjazm, bo takie proste kryterium jest niewystarczające. Poniższe związki też mają atom wodoru, a jednak nie są kwasami :

CH₄ , NH₃ , H₂

Potrzymam Cię jeszcze w napięciu. Zawróćmy na chwilę do zasad.

2. Zasady mają grupę ―OH ?

Co wspólnego mają ze sobą związki chemiczne, które nazywamy zasadami? Można zauważyć parę podobieństw, które jednak nie zawsze muszą występować :

➤ gorzki smak – prawdopodobnie gorzki smak zasad jest elementem ewolucji człowieka, aby dawać nam sygnał, który będzie nas ostrzegał przed zasadowymi alkaloidami, które są często trujące ^[2].

➤ są śliskie – dzieje się tak dlatego, że zasady reagują z tłuszczami, które są na skórze

➤ potrafią zneutralizować kwasy

➤ są żrące – podobnie jak kwasy, zatem to kryterium również nie jest dobre, aby rozpoznać czy mamy do czynienia z kwasem czy zasadą.

Spójrzmy zatem na kilka zasad, które już (pewnie) znamy :

NaOH, KOH , Ba(OH)₂

Co wspólnego mają? Oczywiście atom grupę ―OH, którą nazywamy grupą hydroksylową. Dodatkowo ta grupa hydroksylowa jest połączona z metalem (typowo z pierwszej lub drugiej grupy).

I znowu nie ma się co za wcześnie podniecać, bo poniższe związki nie mają grupy ―OH, a jednak są zasadami. Mało tego, w cząsteczce amoniaku widzimy nawet niemetal, a nie ma tam metalu.

NH₃ , Na₂CO₃, KHCO₃

3. Wszystko zależy od jonu H⁺ – czyli teoria Bronsteda

Wszystko skupia się wokół jonu wodorowego, bardzo często nazywanego protonem^[3].

Kwas Bronsteda	Zasada Bronsteda
Dawca jonu H⁺	Biorca (akceptor) jonu H⁺

Definicja kwasów i zasad wg teorii Bronsteda

To może niekoniecznie brzmieć zrozumiale, więc warto przyrównać sobie reakcję kwasu z zasadą do przeszczepu np. nerki. Pacjent, który potrzebuje nerki, jest biorcą tej nerki (byłby on w takim razie zasadą Bronsteda), natomiast miłosierny samarytanin były dawcą tej nerki (pełniłby rolę kwasu Bronsteda). A więc prosta sprawa.

Definicję kwasu i zasady Bronsteda najlepiej widać na reakcjach pomiędzy nimi.

NH₃ + HCl ⟶ NH₄Cl

Jeszcze jeden przykład :

Reakcja kwas + zasada Bronsteda przykład numer dwa

4. Chemiczne rodzeństwo, czyli sprzężone pary kwas-zasada

Weźmy jeszcze raz reakcję amoniaku z kwasem solnym i spójrzmy na nią pod kątem mikroskopowym :

NH₃ + HCl ⟶ NH₄Cl

Podglądamy kwasy i zasady na poziomie molekularnym. Widzimy wtedy, że istotą takiej reakcji kwas i zasada jest przeniesienie protonu.

Nie traktuj tych obrazków jako coś dodatkowego, co tylko zapełnia nam tutaj treść. Jeśli troszkę się przypatrzysz to zorientujesz się, że faktycznie bardzo dobrze widać tutaj wędrówkę jonu H⁺.

W ramkach zaznaczono także sprzężone pary kwas-zasada. Jedna z tych par to HCl oraz jon Cl^ー, a druga to NH₃ oraz jon NH₄⁺. Sami zatem bez problemu możemy zdefiniować sprzężoną parę kwas-zasada :

Sprzężona para kwas i zasada różnią się od siebie jonem H⁺
Co to jest sprzężony kwas i zasada, czyli typowe maturalne zadanie.

A jak rozpoznać, który to sprzężony kwas, a który zasada? Bardzo łatwo – kwas ma zawsze więcej (o jeden w tym przypadku) protonów. Prosta sprawa.

Możemy nawet nieco zmodyfikować nasze definicje :

Kwas Bronsteda	Zasada Bronsteda
Kwas oddaje jon H⁺ i staje się sprzężoną zasadą	Zasada przyjmuje jon H⁺ i staje się sprzężonym kwasem

Definicja kwasów i zasad wg teorii Bronsteda z uwzględnieniem sprzężenia pomiędzy nimi.

To często pojawiające się zagadnienie na maturze, zatem od razu poćwiczymy to na kilku przykładach.

Uzupełnij tabelę wpisując wzór odpowiedniego sprzężonego kwasu lub zasady dla poniżej przedstawionych reakcji :

H₃PO₄ + OH^ー ⟶ H₂PO₄^ー + H₂O
C₅H₅N + H₂O ⟶ C₅H₅NH⁺ + OH^ー
NH₄⁺ + OH^ー ⟶ NH₃ + H₂O
NH₄⁺ + H₂O ⟶ NH₃ + H₃O⁺

Nr reakcji	Sprzężony para kwas−zasada	Sprzężony para zasada−kwas
1	H₃PO₄ oraz H₂PO₄^ー	OH^ー oraz H₂O
2	C₅H₅NH⁺ oraz C₅H₅N	OH^ー oraz H₂O
3	NH₄⁺ oraz NH₃	OH^ー oraz H₂O
4	NH₄⁺ oraz NH₃	H₂O oraz H₃O⁺

Taka tabela może pojawić się na maturze!

Wnikliwy czytelnik zaobserwuje, że woda jest bardzo ciekawym przykładem. Może ona pełnić rolę i kwasu i zasady Bronsteda. Jest to faktycznie ważna i charakterystyczna właściwość, więc pomówmy o tym trochę szerzej.

5. Niektóre związki mogą zarówno przyjmować i oddawać proton

Jak właśnie zauważyliśmy, niektóre związki z wodą na czele mogą zachowywać się zarówno jak kwas i zasada Bronsteda, co oznacza po prostu, że mogą albo oddawać swój proton, albo przyjmować od innego kwasu. Takie związki nazywamy amfiprotycznymi :

Kilka takich przykładów pokazano w tabelce :

Sprzężona zasada	Związek/jon amfiprotyczny	Sprzężony kwas
OH^ー	H₂O	H₃O⁺
CO₃^2ー	HCO₃^ー	H₂CO₃
SO₃^2ー	HSO₃^ー	H₂SO₃

Związki amfoteryczne mogą przyjmować lub oddawać proton – można dla nich zapisać zarówno sprzężoną zasadę jak i kwas

^[1] Nie wszystkie kwasy mają zdolność rozpuszczania wszystkich metali. Zależy to od kwasu, np. kwas solny nie reaguje z miedzią, a kwas azotowy już tak. Również sam metal wpływa na to, czy reakcja zajdzie czy nie. Wyróżniamy tak zwane metale szlachetne, które nie reagują z większością kwasów, a przykładem jest srebro czy platyna, które właśnie z tego względu wykorzystywane są do produkcji biżuterii.

Do oceny czy kwas reaguje z metalem służy tak zwany szereg elektrochemiczny.

^[2] Alkaloid o nazwie cykuta być może coś Ci mówi, tradycyjnie mówi się, że zginął od niej Sokrates.

^[3] Zapiszmy atom wodoru w prawilnej formie, czyli pokazując liczbę masową oraz atomową :

Jak wiemy oznacza to, że atom wodoru ma jeden elektron, jeden proton i zero neutronów. Jeśli z atomu wodoru zrobimy kation, to zabieramy z niego elektron, co oznacza, że w jonie wodorowym H⁺ znajduje się tylko jeden proton i właśnie stąd wzięła się taka nazwa.

$\displaystyle _{1}^{1} H^{+}$