تعریف طبق آرهنیوس

SVANTE سوئدی اولین شیمیدانی بود که اصطلاح اسید را تعریف کرد آرهنیوس و شیمیدان آلمانی ویلم اوستوالد. در تعریفی که در سال 1887 ارائه کردند، آنها هنوز اسید را ماده ای می دانستند که مزه ترش دارد، اما همچنین ماده ای است که یون های هیدروژن را در محلول آبی تشکیل می دهد. بنابراین اگر اسیدی را در آب قرار دهید، به یون های هیدروژن تجزیه می شود و یون های باقی مانده اسید

مثال اسید نیتریک:

$\mathrm{اچ}نO_3\stackrel{{\mathrm{اچ}}_{2}O}{\to }{\mathrm{اچ}}^{+}+نO_3{}^{–}$

(اسید نیتریک در آب تجزیه می شود و یون هیدروژن و یون نیترات = باقیمانده اسید را تشکیل می دهد)

به طور کلی، فرمول به این صورت است:

$\mathrm{اچ}آ\stackrel{{\mathrm{اچ}}_{2}O}{\to }{\mathrm{اچ}}^{+}+{آ}^{–}$

در این مورد، HA به طور کلی مخفف اسید ARRHENIUS و ${\text{آ}}^{\text{–}}$ باقی مانده اسیدی است که در حین تفکیک ایجاد می شود.

به گفته آرهنیوس، پایه ماده ای است که مزه صابونی یا قلیایی دارد و یون های هیدروکسید را در آب تشکیل می دهد.
مثال هیدروکسید سدیم (نام رایج سود سوزآور)

$نآO\mathrm{اچ}\stackrel{{\mathrm{اچ}}_{2}O}{\to }ن{آ}^{+}+O{\mathrm{اچ}}^{–}$

بطور کلی:

$بO\mathrm{اچ}\stackrel{{\mathrm{اچ}}_{2}O}{\to }{ب}^{+}+O{\mathrm{اچ}}^{–}$

با این حال، این تعریف باید بسط می یافت، زیرا یک نقطه ضعف بزرگ داشت. در تعریف آن، آرهنیوس فقط به محلول های آبی محدود می شد. بنابراین آب همیشه برای تشکیل اسید یا باز ضروری بود، اما واکنش های اسید-باز بدون آب نیز شناخته شده بود.

تعریف بر اساس BRÖNSTED

شیمیدان دانمارکی JOHANNES مستقل از یکدیگر توسعه یافتند برونستد و انگلیسی THOMAS LOWRY در سال 1923 تعریف جدیدی از مفهوم اسید-باز ارائه کرد. به گفته BRÖNSTED، اسید ماده یا ترکیبی است که می تواند پروتون (=یون هیدروژن) آزاد کند. سپس چنین ماده ای نامیده می شود دهنده پروتون (لاتین donare = اهداء).

مثال اسید نیتریک:

$\mathrm{اچ}نO_3\text{+}{\mathrm{اچ}}_{2}O\stackrel{}{\rightleftarrows }{\mathrm{اچ}}_3{O}^{\text{+}}\text{+}نO_3{}^{–}$

بطور کلی:

$\mathrm{اچ}آ+{\mathrm{اچ}}_{2}O\stackrel{}{\rightleftarrows }{آ}^{–}+{\mathrm{اچ}}_3{O}^{+}$

از طرف دیگر، یک باز BRÖNSTED یک ترکیب حاوی پروتون است $(={\mathrm{اچ}}^{+})$می تواند ضبط کند. به همین دلیل است که چنین ماده ای نیز نامیده می شود گیرنده پروتون به (لات. accipere = قبول).

نمونه آمونیاک:

$ن{\mathrm{اچ}}_3+{\mathrm{اچ}}_{2}O\underset{}{\rightleftarrows }ن{\mathrm{اچ}}_4{}^{+}+O{\mathrm{اچ}}_{}^{–}$

بطور کلی:

${آ}^{–}+{\mathrm{اچ}}_{2}O\underset{}{\rightleftarrows }\mathrm{اچ}آ+O{\mathrm{اچ}}^{–}$

یک فرض اساسی برای این نظریه وجود ذره ای است که پروتون اهدا شده را دوباره می پذیرد، زیرا پروتون های آزاد پایدار نیستند. به گفته BRÖNSTED، واکنش های اسید-باز واکنش هایی با انتقال پروتون هستند. این ذره اغلب مولکول آب است که سپس به a تبدیل می شود یون اکسونیوم $({\mathrm{اچ}}_3{O}^{+})$تبدیل می شود.

تفاوت بین تعاریف بر اساس ARRHENIUS و BRÖNSTED

در نگاه اول، ممکن است تصور شود که بین تعریف برونستد و تعریف آرهنیوس تفاوتی وجود ندارد، اما ویژگی در جزئیات است. تعریف BRÖNSTED دیگر به حضور محلول های آبی بستگی ندارد. این تئوری همچنین می تواند برای توضیح واکنش های اسید-بازی که در محیط دیگری، به عنوان مثال در آمونیاک رخ می دهد، استفاده شود.

تفاوت دیگر بین تعریف ARRHENIUS و تعریف BRÖNSTED رابطه بین اسید و باز است. در آرهنیوس اسید و باز مستقل از یکدیگر بودند. به گفته آرهنیوس، اگر اجازه تفکیک اسید نیتریک داده شود، یون هیدروژن تشکیل می شود و یون نیترات به عنوان باقیمانده اسید. حضور اسید و باز با یکدیگر جفت نشدند. این با BRÖNSTED کاملاً متفاوت است. اگر طبق گفته BRÖNSTED، پروتون از اسید نیتریک جدا شود، یون نیترات دوباره تشکیل می شود، اما بلافاصله دوباره به عنوان یک پایه BRÖNSTED عمل می کند، زیرا می تواند یک پروتون را بپذیرد. همیشه یک باز مرتبط با اسید وجود دارد و بالعکس. از آنجایی که این دو به طور جدایی ناپذیری به هم مرتبط هستند، از یک جفت اسید-باز متناظر (در کاربرد انگلیسی اغلب مزدوج) صحبت می شود.

بنابراین اگر به مثال دیگر، یعنی آمونیاک نگاه کنید، آنگاه آمونیاک پایه BRÖNSTED و یون آمونیوم است. ${\text{NH}}_{\text{4}}{}^{\text{+}}$اسید BRÖNSTED مربوطه.

آمفولیت ها

بیشتر واکنش‌های اسید-باز در آب یا با آب به عنوان واکنش‌دهنده انجام می‌شود، آب می‌تواند یک پروتون را برای تشکیل یون‌های هیدرونیوم بپذیرد و همچنین یک پروتون را برای تشکیل یون‌های هیدروکسید از دست بدهد.

این رفتار که در آن یک ترکیب بسته به واکنش دهنده یا به عنوان اسید یا قلیایی عمل می کند، رفتار آمفوتریک یا آمفوتریک نامیده می شود. اتصالات مربوطه هستند آمفولیته.

علاوه بر آب، آمفولیت های بسیار دیگری نیز وجود دارد. هر باقیمانده اسیدی از یک اسید چند مرحله ای، یعنی اسیدهایی که می توانند بیش از یک پروتون را جدا کنند، آمفولیت هستند. در اینجا باید به طور خلاصه به عنوان مثال از اسید فسفریک استفاده شود ${\mathrm{اچ}}_3پO_4$مورد استناد قرار گیرد.
اسید فسفریک در مراحلی تجزیه می شود، یعنی پروتون های خود را یکی پس از دیگری آزاد می کند. در فاز اول، اسید فسفریک از طریق آزاد شدن یک پروتون به یون فسفات دی هیدروژن تبدیل می شود. $({\mathrm{اچ}}_2پO_4{}^{–})$. اسید فسفریک، از آنجایی که یک پروتون اهدا می کند، اسید است و یون فسفات دی هیدروژن، باز مربوطه است. با این حال، در فاز بعدی، دی هیدروژن فسفات همچنین می تواند یک پروتون تولید کند و به هیدروژن فسفات تبدیل شود. $(\mathrm{اچ}پO_4{}^{2–})$. در نهایت، در مرحله سوم، هیدروژن فسفات دوباره تجزیه می شود و یون فسفات را تشکیل می دهد. $(پO_4{}^{3–})$.

مرحله ی 1:

$\begin{array}{l}{\mathrm{اچ}}_3پO_4\stackrel{}{\rightleftarrows }{\mathrm{اچ}}^{+}+{\mathrm{اچ}}_2پO_4{}^{–}\\ \mathrm{اس}\mathrm{و\; غیره}و\mathrm{درست}ه\begin{array}{ccc}\begin{array}{ccc}& & \end{array}& & بآسه\end{array}\end{array}$

مرحله 2:

$\begin{array}{l}{\mathrm{اچ}}_2پO_4{}^{–}\stackrel{}{\rightleftarrows }{\mathrm{اچ}}^{+}+\mathrm{اچ}پO_4{}^{2–}\\ \mathrm{اس}\mathrm{و\; غیره}و\mathrm{درست}ه\begin{array}{ccc}\begin{array}{ccc}& & \end{array}& & بآسه\end{array}\end{array}$

مرحله 3:

$\begin{array}{l}\mathrm{اچ}پO_4{}^{2–}\stackrel{}{\rightleftarrows }{\mathrm{اچ}}^{+}+پO_4{}^{3–}\\ \mathrm{اس}\mathrm{و\; غیره}و\mathrm{درست}ه\begin{array}{ccc}\begin{array}{ccc}& & \end{array}& & بآسه\end{array}\end{array}$

این آمفولیت ها برای زیست شناسی بسیار مهم هستند. از آنجایی که آنها می توانند هم به عنوان اسید و هم به عنوان باز عمل کنند، در سیستم های به اصطلاح بافر استفاده می شوند و به ثابت نگه داشتن مقدار pH خاصی کمک می کنند. چنین بافری از بی کربنات ساخته شده است $(\mathrm{اچ}\mathrm{سی}{O}_3{}^{–})$در خون انسان کار می کند

در نهایت باید یک بار دیگر تاکید کرد که از نظر BRÖNSTED واکنش های اسید-باز واکنش هایی با انتقال پروتون هستند. برای اینکه یک اسید بتواند پروتون خود را اهدا کند، باید ذره ای وجود داشته باشد که آن پروتون را بپذیرد. ذره ای که پروتون را می پذیرد، پایه نامیده می شود. پس همیشه باید یک پایگاه وجود داشته باشد.
به طور کلی:

$\begin{array}{l}{\text{اسید}}_{\text{1}}\begin{array}{cc}& \end{array}\underset{}{\to }بآس{ه}_1+{\mathrm{اچ}}^{+}\\ بآس{ه}_2+{\mathrm{اچ}}^{+}\underset{}{\to }\mathrm{اس}\mathrm{و\; غیره}و\mathrm{درست}{ه}_2\end{array}$

${\text{اسید}}_{\text{1}}$ و ${\text{پایه}}_{\text{1}}$یا. ${\text{اسید}}_{\text{2}}$و ${\text{پایه}}_{\text{2}}$جفت اسید و باز مربوطه هستند.

بطور کلی: ${\text{اسید}}_{\text{1}}+بآس{ه}_2\underset{}{\to }بآس{ه}_1+\mathrm{اس}\mathrm{و\; غیره}و\mathrm{درست}{ه}_2$

نظریه برونستد در واقع برای درک اسیدها و بازها کافی است. می توان از آن برای توضیح و پیش بینی روند بسیاری از واکنش ها استفاده کرد. علاوه بر این، با تئوری برونستد می توان قدرت اسیدها و بازها را به صورت کمی تعیین کرد و بنابراین مقیاسی برای قدرت اسیدها و بازها تنظیم کرد.

تعریف اسید-باز طبق LEWIS

با این وجود، شیمیدان آمریکایی گیلبرت ن. لوئیس نظریه دیگری از اسیدها و بازها بر اساس BRÖNSTED. LEWIS اسیدها را در تمام ترکیباتی می بیند که بازهای BRÖNSTED را بدون هیدروژن خنثی می کنند. او تعریف خود از اسیدها و بازها را بر اساس وجود یا عدم وجود یک جفت الکترون استوار می کند.

به گفته لوئیس، اسیدها موادی هستند که می توانند یک جفت الکترون آزاد را برای تشکیل یک پیوند کووالانسی بپذیرند. به همین دلیل است که به چنین موادی نیز گفته می شود گیرنده جفت الکترون که در تعیین شده است. آنها نیز نامیده می شوند الکتروفیلیک ، که به معنای چیزی شبیه الکترون دوست یا جستجوی الکترون است.
از طرف دیگر، بازهای لوئیس موادی هستند که دارای یک جفت الکترون آزاد هستند و آنها را برای تشکیل پیوند کووالانسی اهدا می کنند. شما نیز خواهید بود اهداکنندگان جفت الکترون تماس گرفت. آنها نامیده می شوند نوکلئوفیلیک، was به معنای چیزی شبیه جستجوی هسته است.

مانند BRÖNSTED، یکی از مزایای این تعریف این است که واکنش ها در محلول های غیر آبی نیز قابل توضیح است. از سوی دیگر، بر اساس این تعریف، تشکیل نمک دیگر اجباری نیست، زیرا دیگر یون ها تشکیل نمی شوند، بلکه موادی با پیوند کووالانسی (=پیوند اتمی،=پیوند هماهنگی) تشکیل می شوند.

آمونیاک یکی از شناخته شده ترین نمونه های پایه LEWIS است. اتم نیتروژن موجود در آمونیاک سه پیوند به اتم های هیدروژن دارد و سپس دارای دو الکترون بیرونی آزاد به شکل یک جفت الکترون آزاد است. یکی از مهمترین اسیدهای لوئیس، پروتون (= اتم هیدروژن; ${\text{اچ}}^{\text{+}}$). از آنجایی که لایه ظرفیت به طور کامل اشغال نشده است، دارای چیزی است که به عنوان شکاف الکترونی شناخته می شود.

واکنش بین اسید لوئیس و باز لوئیس باید با استفاده از مثال واکنش تری فلوراید بور نشان داده شود.$بf_3$) با آمونیاک.

همانطور که از این واکنش می بینید، جفت الکترون مورد استفاده برای پیوند منحصراً از آمونیاک می آید. با این جفت الکترون مشترک، اتم بور اکنون دارای یک لایه بیرونی هشت الکترونی است و بسیار پایدار است.

تئوری LEWIS توسعه ای از نظریه BRÖNSTED-LOWRY است که در شیمی آلی بسیار مفید است. به عنوان مثال، سیر یک جایگزینی هسته دوست روی مواد آروماتیک با کلرید آلومینیوم به عنوان یک کاتالیزور را می توان به خوبی با استفاده از تئوری LEWIS نشان داد. با این حال، طبق گفته LEWIS، قدرت اسیدها و بازها را نمی توان به صورت کمی توصیف کرد. علاوه بر این، ترکیباتی مانند آب یا کلرید هیدروژن دیگر اسید در نظر گرفته نمی شوند، هرچند که دومی به طور خاص به وضوح اسیدی است. بنابراین، توصیفی ترین مدل اسیدها و بازها برای بسیاری از فرآیندهای علمی، هنوز هم همین است نظریه برونستد-لوری.