نظرية برونستد-لوري للأحماض والقواعد
نظرية برونستد-لوري (وتُسمى أيضًا نظرية البروتون للأحماض والقواعد [ 1 ] ) هي نظرية تفاعلات الأحماض والقواعد ، طُوِّرت بشكل مستقل عام 1923 على يد الكيميائيين الفيزيائيين يوهانس نيكولاس برونستد (في الدنمارك) وتوماس مارتن لوري (في المملكة المتحدة). [ 2 ] [ 3 ] وتقوم الفكرة الأساسية لهذه النظرية على أنه عند تفاعل حمض مع قاعدة، يُكوِّن الحمض قاعدته المرافقة ، وتُكوِّن القاعدة حمضها المرافق عن طريق تبادل بروتون (أيون الهيدروجين الموجب، أو H + ). تُعمِّم هذه النظرية نظرية أرهينيوس .
تعريفات الأحماض والقواعد
في نظرية أرهينيوس ، تُعرَّف الأحماض بأنها مواد تتفكك في المحاليل المائية لتعطي أيونات الهيدروجين (H + ) ، بينما تُعرَّف القواعد بأنها مواد تتفكك أو تتأين في المحاليل المائية لتعطي أيونات الهيدروكسيد (OH-) . [ 4 ]
في عام ١٩٢٣، اقترح الكيميائيان الفيزيائيان يوهانس نيكولاس برونستد في الدنمارك وتوماس مارتن لوري في إنجلترا، كلٌ على حدة، النظرية التي سُميت باسمهما. [ ٥ ] [ ٦ ] [ ٧ ] في نظرية برونستد-لوري، تُعرَّف الأحماض والقواعد من خلال طريقة تفاعلها مع بعضها البعض، مما يُعمِّمها. ويتضح هذا جليًا من خلال معادلة التوازن.
- حمض + قاعدة ⇌ قاعدة مترافقة + حمض مترافق .
باستخدام حمض، HA، يمكن كتابة المعادلة رمزياً على النحو التالي:
- HA + B ⇌ A − + HB +
يُستخدم رمز التوازن، ⇌، لأن التفاعل يمكن أن يحدث في كلا الاتجاهين الأمامي والعكسي (أي أنه قابل للانعكاس). الحمض، HA، هو مانح للبروتون، ويمكنه أن يفقد بروتونًا ليصبح قاعدته المرافقة، A⁻ . القاعدة، B، هي مستقبلة للبروتون ، ويمكنها أن تصبح حمضها المرافق، HB⁺ . معظم تفاعلات الحمض والقاعدة سريعة، لذا فإن المواد المتفاعلة عادةً ما تكون في حالة توازن ديناميكي مع بعضها البعض. [ 8 ]
المحاليل المائية
ضع في اعتبارك تفاعل الحمض والقاعدة التالي:
![$$ {\vphantom {A}} _ {\smash[{t}]{3}}~\mathrm {COO} {\vphantom {A}}^{-}{}+{}\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{3}}\mathrm {O} {\vphantom {A}}^{+}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/4045eacf1e40811a06a69e28d207636a7b790511)
حمض الأسيتيك ، CH₃COOH ، هو حمض لأنه يتبرع ببروتون للماء ( H₂O ) ويصبح قاعدته المرافقة، أيون الأسيتات ( CH₃COO⁻ ) . أما الماء ( H₂O ) فهو قاعدة لأنه يستقبل بروتونًا من حمض الأسيتيك ويصبح حمضه المرافق ، أيون الهيدرونيوم ( H₃O⁺ ) . [ 9 ]
التفاعل العكسي بين الحمض والقاعدة هو أيضاً تفاعل حمض-قاعدة، بين الحمض المرافق للقاعدة في التفاعل الأول والقاعدة المرافقة للحمض. في المثال أعلاه، الإيثانوات هو قاعدة التفاعل العكسي، وأيون الهيدرونيوم هو الحمض.
![$$ {\longrightleftharpoons} {}\mathrm {CH} {\vphantom {A}} _ {\smash[{t}]{3}}\mathrm {COOH} {}+{}\mathrm {H} {\vphantom {A}} _ {\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} }}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f970075ee94417f40b7aaedd280f4cfdf8b52b87)
إحدى سمات نظرية برونستد-لوري على عكس نظرية أرهينيوس هي أنها لا تتطلب وجود حمض للتفكك.
المواد المذبذبة
جوهر نظرية برونستد-لوري هو أن الحمض لا يكون حمضًا إلا بالنسبة للقاعدة، والعكس صحيح . الماء مادة مذبذبة ، إذ يمكنه أن يتصرف كحمض أو كقاعدة. في الصورة الموضحة على اليمين، يتصرف جزيء واحد من الماء ( H₂O ) كقاعدة، فيكتسب أيون الهيدروجين (H⁺ ) ليصبح أيون الهيدرونيوم (H₃O⁺ ) ، بينما يتصرف الجزيء الآخر كحمض، فيفقد أيون الهيدروجين (H⁺ ) ليصبح أيون الهيدروكسيد (OH⁻ ) .
مثال آخر يتضح من خلال مواد مثل هيدروكسيد الألومنيوم ، Al(OH) 3 .
![// {OH} ){\vphantom {A}} _ {\smash[{t}]{4}}{\vphantom {A}}^{-}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/9b083c49ce55d016f2e8369b2a796d3cdb6fc1a7)
![// {\vphantom {A}} _ {\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} {}+{}\mathrm {Al} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{{\mskip {1mu}}(\mathrm {aq} )}}{\vphantom {A}}^{3+}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d4d2827434f230358c6329cbed621aeea919f87e)
المحاليل غير المائية
أيون الهيدروجين، أو أيون الهيدرونيوم، هو حمض برونستد-لوري عند ذوبانه في الماء (H₂O ) ، وأيون الهيدروكسيد هو قاعدة بسبب تفاعل التأين الذاتي للماء.
![$$ {A}} _ {\smash[{t}]{3}}\mathrm {O} {\vphantom {A}}^ {+}{}+ {}\mathrm {OH} {\vphantom {A}}^ {-}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/dab489f736635d3a120cee662d56870c75ed984a)
يحدث تفاعل مماثل في الأمونيا السائلة
![$$ {A}} _ {\smash[{t}]{4}}{\vphantom {A}}^{+}{}+{}\mathrm {NH} {\vphantom {A}}_ {\smash[{t}]{2}}{\vphantom {A}}^{-}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7aa7d0de6cf4e5bd5e06a41147cf4f9021f28b36)
وبالتالي، فإن أيون الأمونيوم، NH₄⁺ ، في الأمونيا السائلة يُقابل أيون الهيدرونيوم في الماء، وأيون الأميد، NH₂⁻ ، في الأمونيا يُقابل أيون الهيدروكسيد في الماء. تتصرف أملاح الأمونيوم كأحماض، بينما تتصرف أميدات المعادن كقواعد. [ 10 ]
يمكن لبعض المذيبات غير المائية أن تتصرف كقواعد، أي تقبل البروتونات، فيما يتعلق بأحماض برونستد-لوري.
حيث يرمز الحرف S إلى جزيء المذيب. ومن أهم هذه المذيبات ثنائي ميثيل سلفوكسيد (DMSO) وأسيتونيتريل ( CH₃CN ) ، إذ استُخدما على نطاق واسع لقياس ثوابت تفكك الأحماض للجزيئات المحتوية على الكربون. ولأن DMSO يستقبل البروتونات بقوة أكبر من الماء ( H₂O )، يصبح الحمض أقوى في هذا المذيب منه في الماء. [ 11 ] في الواقع، تتصرف العديد من الجزيئات كأحماض في المحاليل غير المائية، ولكن ليس في المحاليل المائية. وتحدث حالة متطرفة مع الأحماض الكربونية ، حيث يُنتزع بروتون من رابطة C-H . [ 12 ]
يمكن لبعض المذيبات غير المائية أن تتصرف كأحماض. فالمذيب الحمضي يجعل المواد المذابة فيه أكثر قاعدية. على سبيل المثال، يُعرف مركب CH₃COOH بحمض الأسيتيك لأنه يتصرف كحمض في الماء. ومع ذلك، فإنه يتصرف كقاعدة في فلوريد الهيدروجين السائل ، وهو مذيب أكثر حمضية بكثير. [ 13 ]
![// (\mathrm {OH}){\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{\vphantom {A}}^{+}{}+{}\mathrm {HF} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{\vphantom {A}}^{-}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/88028cf2d459ebb51168e53a8feab90416360f45)
مقارنة بنظرية لويس للأحماض والقواعد
في العام نفسه الذي نشر فيه برونستد ولوري نظريتهما، وضع جي إن لويس نظرية بديلة لتفاعلات الحمض والقاعدة. تعتمد نظرية لويس على البنية الإلكترونية . قاعدة لويس هي مركب قادر على منح زوج من الإلكترونات لحمض لويس ، وهو مركب قادر على استقبال زوج من الإلكترونات. [ 14 ] [ 15 ] يشرح اقتراح لويس تصنيف برونستد ولوري باستخدام البنية الإلكترونية.
في هذا التمثيل، يظهر كل من القاعدة B والقاعدة المرافقة A − حاملين زوجًا منفردًا من الإلكترونات ويتم نقل البروتون، وهو حمض لويس، بينهما.
كتب لويس لاحقًا: "إن حصر مجموعة الأحماض بالمواد التي تحتوي على الهيدروجين يُعيق الفهم المنهجي للكيمياء بنفس خطورة حصر مصطلح العامل المؤكسد بالمواد التي تحتوي على الأكسجين ." [ 15 ] في نظرية لويس، يُكوّن الحمض A والقاعدة B مُركّبًا إضافيًا AB، حيث يُشكّل زوج الإلكترونات رابطة تساهمية تناسقية بين A وB. ويتضح ذلك عند تكوّن المُركّب الإضافي H₃N − BF₃ من الأمونيا وثلاثي فلوريد البورون ، وهو تفاعل لا يمكن أن يحدث في الماء لأن ثلاثي فلوريد البورون يتحلل بالماء. [ 16 ]
- [ 16 ]
![// ){\vphantom {A}} _ {\smash[{t}]{3}}{}+{}3\,\mathrm {HBF} {\vphantom {A}}_ {\smash[{t}]{4}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c4568bf99c44e75d32dd79eba1c421dbd6c14294)
يوضح التفاعل أعلاه أن BF3 حمض في كل من تصنيفات لويس [ 17 ] وبرونستيد-لوري، ويُظهر أن النظريتين تتفقان مع بعضهما البعض. [ 18 ]
يُعرف حمض البوريك بأنه حمض لويس بسبب التفاعل
![$$ {OH} ){\vphantom {A}} _ {\smash[{t}]{4}}{\vphantom {A}}^{-}{}+{}\mathrm {H} {\vphantom {A}}^{+}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/dcf90994d3fbbd6b2d30bd2ae1c594defecac005)
في هذه الحالة، لا يتفكك الحمض، بينما يتفكك الماء (H₂O) . محلول هيدروكسيد البورون (B(OH) ₃) حمضي لأن أيونات الهيدروجين تنطلق في هذا التفاعل.
توجد أدلة قوية على أن المحاليل المائية المخففة للأمونيا تحتوي على كميات ضئيلة من أيون الأمونيوم.
![// {A}}^{-}{}+{}\mathrm {NH} {\vphantom {A}} _ {\smash[{t}]{4}}^{+}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/82faea6ec81ff5729a2215daefc5ba3b798dd87c)
وأن الأمونيا، عند ذوبانها في الماء، تعمل كقاعدة لويس. [ 19 ]
مقارنة بنظرية لوكس-فلود
تُستثنى التفاعلات بين الأكاسيد في الحالة الصلبة أو السائلة من نظرية برونستد-لوري. على سبيل المثال، التفاعل
![// {A}} _ {\smash[{t}]{4}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/9c13b0f8ae4ea7cec09eb3ce9209faa3d21a39f5)
لا يشمل تعريف برونستد-لوري للأحماض والقواعد هذا المركب. من ناحية أخرى، يعمل أكسيد المغنيسيوم كقاعدة عند تفاعله مع محلول مائي لحمض (بدلاً من ذلك، يمكن اعتبار التفاعل تفاعل حمض-قاعدة لويس).
![{\displaystyle {2\,\mathrm {H} {\vphantom {A}}^{+}{}+{}\mathrm {MgO} {\mskip {2mu}}(\mathrm {s} ){}\mathrel {\longrightarrow } {}\mathrm {Mg} {\vphantom {A}}^{2+}{\mskip {2mu}}(\mathrm {aq} ) {}+ {}\mathrm {H} {\vphantom {A}} _ {\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} }}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/9bbce220d7eb788bda5fd02b12add16a0e27ec42)
تم التنبؤ بأن ثاني أكسيد السيليكون المذاب ، SiO 2 ، هو حمض ضعيف بالمعنى الذي يحدده برونستد-لوري. [ 20 ]
![$$ } {}\mathrm {Si} (\mathrm {OH} ){\vphantom {A}} _ {\smash[{t}]{4}}~(\mathrm {solution} )}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d3a5cf59a5a25ba6fc46d0b39eece35ce9f1c3c1)
وفقًا لنظرية لوكس-فلود ، يمكن تسمية الأكاسيد مثل أكسيد المغنيسيوم (MgO) وثاني أكسيد السيليكون (SiO₂ ) في الحالة الصلبة بالأحماض أو القواعد. على سبيل المثال، يُعرف معدن الأوليفين بأنه مركب من أكسيد قاعدي، وهو أكسيد المغنيسيوم (MgO)، وثاني أكسيد السيليكون ( SiO₂) ، وهو أكسيد حمضي. وهذا مهم في علم الجيوكيمياء . [ 21 ]
مراجع
- ↑ "نظرية برونستد-لوري | الكيمياء" . موسوعة بريتانيكا . تم الاطلاع عليه بتاريخ 7 مارس 2021 .
- ^ برونستيد ، جيه إن (1923). "Einige Bemerkungen über den Begriff der Säuren und Basen " [ بعض الملاحظات حول مفهوم الأحماض والقواعد ] . Recueil des Travaux Chimiques des Pays-Bas . 42 (8): 718-728 . دوى : 10.1002 / recl.19230420815 .
- ↑ لوري، تي إم (1923). "تفرد الهيدروجين" . مجلة جمعية الصناعات الكيميائية . 42 (3): 43-47 . doi : 10.1002/jctb.5000420302 .
- ↑ مايرز، ريتشارد (2003). أساسيات الكيمياء . مجموعة غرينوود للنشر. الصفحات 157-161 . ISBN 978-0-313-31664-7.
- ↑ ماسترتون، ويليام؛ هيرلي، سيسيل؛ نيث، إدوارد (2011). الكيمياء: المبادئ والتفاعلات . سينجايج ليرنينج. ص 433. ISBN 978-1-133-38694-0.
- ↑ إيبينغ، داريل؛ غامون، ستيفن د. (2010). الكيمياء العامة، طبعة محسنة . سينغيج ليرنينج. ص 644-645 . ISBN 978-0-538-49752-7.
- ↑ ويتن، كينيث؛ ديفيس، ريموند؛ بيك، لاري؛ ستانلي، جورج (2013). الكيمياء . سينجايج ليرنينج. ص 350. ISBN 978-1-133-61066-3.
- ↑ ليو، كريستي (2009). الأحماض والقواعد . دار إنفوبيس للنشر. رقم ISBN 9780791097830.
- ↑ باتريك 2004 ، ص 76.
- ↑ هوليداي، أ.ك.؛ ماسي، أ.ج. (1965). الكيمياء غير العضوية في المذيبات غير المائية . مطبعة بيرغامون.
- ↑ رايش، هانز ج. "جدول بوردويل pKa (الحموضة في ثنائي ميثيل سلفوكسيد)" . قسم الكيمياء، جامعة ويسكونسن، الولايات المتحدة. مؤرشف من الأصل في 9 أكتوبر 2008. تم الاسترجاع في 2 نوفمبر 2008 .
- ↑ سميث، مايكل؛ مارش، جيري (2001). كيمياء مارش العضوية المتقدمة: التفاعلات والآليات والبنية ( الطبعة الخامسة). نيويورك: وايلي. ص 328. ISBN 978-0-471-58589-3.
- ↑ وادينجتون، تي سي (1965). أنظمة المذيبات غير المائية . نيويورك: أكاديميك برس. ص 69.
- ↑ ميسلر، جي إل، تار، دي إيه، (1991) " الكيمياء غير العضوية " الطبعة الثانية. بيرسون برنتيس هول، الصفحات 170-172
- 1 2 هول، نوريس ف. (مارس 1940). "أنظمة الأحماض والقواعد". مجلة التعليم الكيميائي . 17 (3): 124-128 . Bibcode : 1940JChEd..17..124H . doi : 10.1021/ed017p124 .
- 1 2 وامسر، كريستيان أ. (1951-01-01). "التوازنات في نظام ثلاثي فلوريد البورون - الماء عند 25 درجة مئوية" . مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية . 73 (1): 409-416 . Bibcode : 1951JAChS..73..409W . doi : 10.1021/ja01145a134 . ISSN 0002-7863 .
- ↑ باتريك 2004 ، ص 91.
- ↑ الدنمارك، سكوت إي.؛ بيوتنر، غريغوري إل. (2008). "التحفيز بقاعدة لويس في التخليق العضوي" . Angewandte Chemie International Edition . 47 (9): 1560–1638 . Bibcode : 2008ACIE...47.1560D . doi : 10.1002/anie.200604943 .
- ↑ هاوسكروفت، سي إي؛ شارب، إيه جي (2004). الكيمياء غير العضوية ( الطبعة الثانية). برنتيس هول. ص 187. ISBN 978-0-13-039913-7.
- ↑ باولينغ، لينوس (1960). طبيعة الرابطة الكيميائية ( الطبعة الثالثة). إيثاكا: مطبعة جامعة كورنيل. ص 557 .
- ↑ أوتونيلو، ج؛ موريتي، ر (2004). "قاعدية لوكس-فلود لمصاهير السيليكات الثنائية" . مجلة فيزياء وكيمياء المواد الصلبة . 65 ( 8-9 ): 1609-1614 . رمز Bibcode : 2004JPCS...65.1609O . doi : 10.1016/j.jpcs.2004.01.012 . تاريخ الاسترجاع: 2 يناير 2025 .
فهرس
- ستوكر، هـ. ستيفن (2012). الكيمياء العامة والعضوية والبيولوجية . سينجايج ليرنينج. ISBN 978-1-133-10394-3.
- مايرز، ريتشارد (2003). أساسيات الكيمياء . دار غرينوود للنشر. رقم ISBN 978-0-313-31664-7.
- باتريك، غراهام (2004). ملاحظات سريعة في الكيمياء العضوية . تايلور وفرانسيس. ISBN 978-1-135-32125-3.
- سريفاستافا، HC (2003). نوتان – كيمياء مركز الدراسات الدولي (7 ed.). الهند: ناجين براكاشان. رقم ISBN 978-93-80088-89-1.
- راماكريشنا، أ. (2014). دورة غويال التأسيسية في الكيمياء لمعهد IIT: للصف العاشر . دار غويال براذرز للنشر. ص 85. GGKEY:DKWFNS6PECF.
- ماسترتون، ويليام؛ هيرلي، سيسيل؛ نيث، إدوارد (2011). الكيمياء: المبادئ والتفاعلات . سينجايج ليرنينج. ISBN 978-1-133-38694-0.
- ويتن، كينيث؛ ديفيس، ريموند؛ بيك، لاري؛ ستانلي، جورج (2013). الكيمياء . سينجايج ليرنينج. ISBN 978-1-133-61066-3.
- إيبينغ، داريل؛ غامون، ستيفن د. (2010). الكيمياء العامة، طبعة مُحسّنة . سينغيج ليرنينغ. الصفحات 644-645 . ISBN 978-0-538-49752-7.
- كيمياء الأحماض والقواعد
- كيمياء التوازن