תאוריית ברונסטד–לאורי

תאוריית ברונסטד–לאורי (באנגלית: Brønsted–Lowry acid–base theory; קרויה גם תאוריית הפרוטונים של חומצות ובסיסים^[1]) היא תאוריה מדעית עבור תגובת חומצה-בסיס, שהציעו באופן עצמאי יוהאנס ניקולאוס ברונסטד ותומאס מרטין לאורי ב-1923^[2]^[3]. הרעיון הבסיסי של תיאוריה זו הוא שכאשר חומצה ובסיס מגיבים זה עם זה, החומצה יוצרת את הבסיס המצומד שלה, והבסיס יוצר את החומצה המצומדת שלו על ידי העברת פרוטון (קטיון המימן, או ⁺H) מהחומצה אל הבסיס.

התאוריה היא הכללה של תאוריית ארניוס, שמתארת את אותה התופעה רק בתמיסות מימיות. עם זאת, התאוריה אינה כוללת תגובות חומצה-בסיס שאינן כרוכות בחילופי פרוטונים, וכדי לאפשר סיווג רחב יותר של תגובות חומצה-בסיס, נוצרה תאוריית החומצה-בסיס של לואיס.

הגדרה של חומצות ובסיסים

תבנית:תמונות מרובות לפי תאוריית ארניוס, אשר קדמה לתאוריית ברונסטד–לאורי, חומצות מוגדרות כחומרים שמתפרקים בתמיסה מימית, כך שנוצרים יוני הידרון (תבנית:משמאל לימין) בעוד שבסיסים מוגדרים כחומרים שמתפרקים בתמיסה מימית ומשחררים יוני הידרוקסיד (תבנית:משמאל לימין)^[4]תבנית:הערה.

בשנת 1923 הציעו הכימאים הפיזיקליים יוהאנס ניקולאוס ברונסטד מדנמרק ותומאס מרטין לאורי מהממלכה המאוחדת באופן עצמאי כיחידים את התאוריה הנושאת את שמם^[5]^[6]תבנית:הערה. בתאוריית ברונסטד–לאורי, ההגדרה של חומצות ובסיסים נובעת מהאופן שבו הם מגיבים זה עם זה, דבר המאפשר מענה רחב וכללי יותר עבור חומרים שונים^[7].

ההגדרה מתבטאת במונחים של ביטוי שיווי משקל:

חומצה מצומדת + בסיס מצומד ⇌ בסיס + חומצה

באמצעות חומצה HA ובסיס B, ניתן לכתוב את המשוואה באופן סמלי כך:

H A + B \overset{- ⇀}{↽ -} A^{-} + H B^{+}

החץ הדו-כיווני, ⇌, נמצא בשימוש מכיוון שהתגובה יכולה להתרחש הן בכיוון התוצרים והן בכיוון המגיביםתבנית:הערה. החומצה, HA, יכולה לאבד פרוטון כדי להפוך לבסיס המצומד שלה, ⁻A. הבסיס, B, יכול לקבל פרוטון כדי להפוך לחומצה המצומדת שלו, ⁺HBתבנית:הערה. רוב תגובות החומצה-בסיס הן מהירות, ולכן רכיבי התגובה נמצאים בדרך כלל בשיווי משקל דינמי זה עם זה^[8].

גורמים ליציבות החומצות והבסיסים

ככל שהחומצה חזקה יותר כך הבסיס המצומד חלש יותר, ולהפךתבנית:ביאור.

בהסתכלות על תגובת הפירוק של חומצה HA, ותגובת הפירוק של החומצה המצומדת של בסיס ⁺HB ועל קבועי הפירוק שלהם ניתן לקבוע כי:

$H A + H_{2} O_{(l)} \overset{K_{a}}{\overset{- ⇀}{↽ -}} H_{3} O_{(a q)}^{+} + A^{-}_{(a q)}$

$H B_{(a q)}^{+} + H_{2} O_{(l)} \overset{K_{b}^{- 1}}{\overset{- ⇀}{↽ -}} H_{3} O_{(a q)}^{+} + B$

עבור חומצה חזקה יותר, ערך ה-pK_a (האות p מבטאת $- \log$ ו-K_a הוא קבוע הדיסוציאציה של חומצה) שלה נמוך יותר. בתגובת שיווי משקל, שבה משתתפים חומצה ובסיס אורגניים, נקבעת הנטייה של התגובה על פי ערכם היחסי של pK_a של שתי החומצות בתגובות (הישירה וההפוכה). הכיוון המועדף של התגובה הוא יצירת חומצה חלשה מחומצה חזקה.

בחומצות שבהן האטומים האלקטרושליליים דומים בגודלם, החומצה החזקה ביותר היא זו שבה אטום המימן קשור לאטום האלקטרושלילי ביותרתבנית:ביאור. לדוגמה, CH₃OH חומצי יותר מאשר CH₃NH₂. כך גם אפקט אינדוקטיבי תבנית:אנ של משיכת אלקטרונים גורם להגברת החומציות. כשהאלקטרושליליות של הקבוצה מושכת האלקטרונים גדולה יותר, וככל שהיא קרובה יותר לאטום המימן החומצי, כך החומצה חזקה יותר. לדוגמה, FCH₂COOH חומצה חזקה יותר מ-ClCH₂COOH, משום שפלואור אלקטרושלילי יותר מכלור.

גורם נוסף המשפיע על החומציות הוא הכלאת אורביטלים אטומיים. אורביטלי s קרובים יותר לגרעין מאשר אורביטלי p, לכן ככל שאופי s בקשר עם אטום המימן גבוה יותר בהכלאה כך הקשר עם אטום המימן קרוב יותר לגרעין. כלומר, אלקטרושלילי יותר, והפרוטון יהיה חומצי יותר. על כן, אטום בעל הכלאה sp הוא אלקטרושלילי יותר מאטום בעל הכלאה של sp², והאחרון יותר אלקטרושלילי מאטום בעל הכלאה של sp³.

תרכובת	הכלאה	אחוז s בהכלאה	pK_a
C₂H₆	sp³	25%	50
C₂H₄	sp²	33%	44
C₂H₂	sp	50%	25

אלקטרונים לא מאותרים מייצבים את התרכובות השונות. היבריד רזוננטיבי הוא מיצוע של המבנים הרזוננטיביים השונים הנבדלים זה מזה במיקום זוגות האלקטרונים הלא-קושרים ואלקטרוני $π$ ; בסיס בעל אלקטרונים לא מאותרים יציב יותר (חלש יותר) מבסיס דומה בעל אלקטרונים מאותרים.

עבור תרכובת הנושאת שתי קבוצות חומציות, הבסיס המגיב עמה ירחיק את הפרוטון מהקבוצה החומצית יותר. הוספת אקוויוולנט תבנית:אנ של בסיס תגרום להרחקת הפרוטון מהקבוצה החומצית השנייה. באופן דומה, כאשר התרכובת נושאת שתי קבוצות בסיסיות, הקבוצה הבסיסית יותר תעבור ראשונה פרוטונציה והוספת אקוויוולנט של חומצה יגרום לפרוטונציה של הקבוצה הבסיסית השנייהתבנית:הערה תבנית:הערה תבנית:הערה תבנית:הערה.

תמיסות מימיות

חומצה אצטית היא חומצה חלשה, אשר תורמת פרוטון (הידרון) למים בתגובת שיווי משקל כדי ליצור את יון האצטט ואת יון ההידרוניום.תבנית:מקרא תבנית:מקרא תבנית:מקרא תבנית:מקרא

בתגובת חומצה-בסיס הבאה:

$C H_{3} C O O H + H_{2} O \overset{- ⇀}{↽ -} C H_{3} C O O^{-} + H_{3} O^{+}$

חומצה אצטית, CH₃COOH, היא חומצה בשל יכולתה לתרום פרוטון למים (H₂O) והופכת לבסיס המצומד שלה, יון האצטט (⁻CH₃COO). H₂O הוא בסיס בשל יכולתו לקבל פרוטון מ-CH₃COOH והופך לחומצה המצומדת שלו, יון ההידרוניום (⁺H₃O)^[9]. התגובה ההופכית לתגובת חומצה-בסיס היא גם תגובת חומצה-בסיס בין החומצה המצומדת של הבסיס בתגובה הראשונה לבסיס המצומד של החומצה^[10]. בדוגמה לעיל אצטט הוא הבסיס של התגובה ההופכית ויון הידרוניום הוא החומצה.

$H_{3} O^{+} + C H_{3} C O O^{-} \overset{- ⇀}{↽ -} C H_{3} C O O H + H_{2} O$

מה שקובע איזו משתי התגובות תהיה השולטת הוא, במקרה זה, קבוע הדיסוציאציה של החומצה, שעומד ביחס ישר להיווצרות תוצרים^[7].

בכימיה אי אורגנית

המחלקה הגדולה ביותר של חומצות במים מורכבת מצורונים התורמים פרוטונים מקבוצת OH-, אשר מחוברת לאטום מרכזי. פרוטון מסוג זה בעל יכולת מסירה, והוא נקרא פרוטון חומצי, על מנת להבדילו מפרוטונים אחרים שעשויים להימצא במולקולה, דוגמת פרוטוני מתיל לא-חומציים ב-CH₃COOH.

ישנן שלוש קבוצות של חומצות:

חומצה מימית, שבה הפרוטון החומצי אשר קיים במולקולת המים, נקשר ליון המתכת המרכזי.

E (O H_{2}) (a q) + H_{2} O (l) \overset{- ⇀}{↽ -} E (O H)^{-} (a q) + H_{3} O^{+} (a q)

לדוגמה:

[F e (O H_{2})_{6}]^{3 +} (a q) + H_{2} O (l) \overset{- ⇀}{↽ -} [F e (O H_{2})_{5} O H]^{2 +} (a q) + H_{3} O^{+} (a q)

חומצה הידרוקסידית (hydroxoacid), שבה פרוטון חומצי נמצא בקבוצת הידרוקסיל ללא קבוצת oxo שכנה (O=). דוגמה לכך היא Te(OH)₆.
חומצה חַמְצָנִית^[11] (oxoacid), שבה הפרוטון החומצי נמצא על קבוצה הידרוקסילית עם קבוצת oxo מחוברת לאותו אטום. חומצה גופרתית, H₂SO₄ (O₂S(OH)₂;5), היא דוגמה לחומצה חמצניתתבנית:הערה.

חומרים אמפוטריים

המהות של תאוריית ברונסטד-לאורי היא שחומצה קיימת רק ככזו ביחס לבסיס, ולהפך. מים הם אמפוטריים, משמע הם יכולים להגיב הן כחומצה הן כבסיסתבנית:הערה.

באיור משמאל, מולקולה אחת של H₂O פועלת כבסיס ומקבלת את ⁺H כדי להפוך ל-⁺H₃O בעוד השנייה פועלת כחומצה ומוסרת את ⁺H כדי להפוך ל-⁻OH^[12].

יון המימן (⁺H), או יון ההידרוניום (⁺H₃O)תבנית:ביאור, הוא חומצת ברונסטד-לאורי בתמיסות מימיות, ויון הידרוקסיד הוא בסיס, מתוקף תגובת הדיסוציאציה העצמית^[12].

$H_{2} O + H_{2} O \overset{- ⇀}{↽ -} H_{3} O^{+} + O H^{-}$

בתהליך זה, הנקרא "יינון עצמי של מים"תבנית:הערה, כאשר התגובה קדימה (מייננת מים) והתגובה אחורה (יונים נקשרים ליצירת מים) מתרחשות באותו קצב, המערכת נמצאת בשיווי משקל דינמי^[13].

תמיסות לא-מימיות

תגובה אנלוגית מתרחשת באמוניה נוזלית:

$N H_{3} + N H_{3} \overset{- ⇀}{↽ -} N H_{4}^{+} + N H_{2}^{-}$

לפיכך, יון האמוניום, ⁺NH₄, ממלא אותו תפקיד באמוניה נוזלית כמו יון ההידרוניום במים, ויון האמיד, ^-NH₂, מקביל ליון הידרוקסיד. מלחי אמוניום מתנהגים כחומצות, ואמידים מתנהגים כבסיסיםתבנית:הערה.

ממסים לא-מימיים אחדים יכולים להתנהג כבסיסים, כלומר, מקבלי פרוטונים, ביחס לחומצות ברונסטד-לאורי^[14]:

$H A + S \overset{- ⇀}{↽ -} A^{-} + S H^{+}$

כאשר S מייצג מולקולת ממס. הממסים החשובים ביותר מסוג זה הם דימתיל סולפוקסיד, DMSO, ואצטוניטריל, CH₃CN, מכיוון שמבחינה היסטורית ממסים אלו היו בשימוש נרחב למדידת קבועי דיסוציאציה של חומצה עבור מולקולות אורגניות. מאחר ש-DMSO הוא קולט פרוטונים חזק יותר מ-H₂O החומצה הופכת לחומצה חזקה יותר בממס זה מאשר במים^[15]. ואכן, מולקולות רבות מתנהגות כחומצות בתמיסה לא מימית שאינן עושות זאת בתמיסה מימית. מקרה קיצוני מתרחש עם חומצות פחמן, כאשר מפיקים פרוטון מקשר C-H^[16].

ממסים לא-מימיים אחדים יכולים להתנהג כחומצות. ממס חומצי יגביר את הבסיסיות של חומרים המומסים בו. לדוגמה, התרכובת CH₃COOH ידועה בתור חומצה אצטית בגלל התנהגותה החומצית במים. עם זאת, התרכובת מתנהגת כבסיס במימן כלורי נוזלי, ממס הרבה יותר חומציתבנית:הערה.

$H C l + C H_{3} C O O H \overset{- ⇀}{↽ -} C l^{-} + C H_{3} C (O H)_{2}^{+}$

השוואה עם תאוריית לואיס

באותה השנה בה פרסמו ברונסטד ולאורי את התאוריה שלהם, גילברט ניוטון לואיס הציע תאוריה אלטרנטיבית עבור תגובות חומצה–בסיס. תאוריית לואיס מבוססת על מבנה אלקטרוני תבנית:אנ. בסיס לואיס מוגדר כצורון בעל אורביטל המאוכלס בזוג אלקטרונים לא קושרים שיכול לתרום זוג אלקטרונים לחומצת לואיס, צורון בעל אורביטל ריק מאלקטרונים שיכול לקבל זוג אלקטרוניםתבנית:הערה^[17]תבנית:הערה. הצעתו של לואיס נותנת הסבר לסיווג ברונסטד–לאורי במונחים של מבנה אלקטרוני.

$H A + B \overset{- ⇀}{↽ -} A^{-} + H B^{+}$

בתגובה זו מוצגים גם הבסיס, B, וגם הבסיס המצומד, ⁻A, הנושאים זוג בודד של אלקטרונים, והפרוטון, שהוא חומצת לואיס, מועבר ביניהם.

מאוחר יותר, לואיס כתב 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"^[17]. בתאוריית לואיס, חומצה, A ובסיס B, יוצרים תוצר סיפוח AB, שבו זוג האלקטרונים משמש ליצירת קשר קואורדינטיבי בין A ל-B. עניין זה מומחש עם היווצרות תוצר-הסיפוח H₃N-BF₃ מאמוניה ובורון טריפלואוריד, תגובה שאינה יכולה להתרחש בתמיסה מימית מכיוון שבורון טריפלואוריד מגיב בעוצמה רבה עם מים בתגובת הידרוליזה.

$B F_{3} + 3 H_{2} O ⟶ B (O H)_{3} + 3 H F$

$H F \overset{- ⇀}{↽ -} H^{+} + F^{-}$

חומצה בורית מוכרת כחומצת לואיס בזכות התגובה הבאה:

$B (O H)_{3} + 2 H_{2} O \overset{- ⇀}{↽ -} B (O H)_{4}^{-} + H_{3} O^{+}$

במקרה זה, החומצה אינה מוסרת פרוטון, אלא הבסיס, H₂O. תמיסה של B(OH)₃ היא חומצית מכיוון שיוני מימן משתחררים בתגובה זו^[18].

ישנן עדויות מובהקות לכך שתמיסות מימיות מדוללות של אמוניה מכילות כמויות זניחות של יון האמוניום,

$H_{2} O + N H_{3} ⟶ O H^{-} + N H_{4}^{+}$

וכי כאשר היא מומסת במים, אמוניה מתפקדת כבסיס לואיס^[19].

דוגמה לחומר נוסף העומד בהגדרת ברונסטד-לאורי או בהגדרה רחבה יותר, שנמצאת מחוץ לתחום התקפות של ברונסטד-לאורי, ניתן לראות בחומרים אמפוטריים כגון אלומיניום הידרוקסיד, Al(OH)₃^[20]^[21]:

$A l (O H)_{3} + O H^{-} \overset{- ⇀}{↽ -} A l (O H)_{4}^{-}$ - מתנהג כחומצת לואיס בתווך בסיסי, מכיוון שאין חילופי פרוטונים זה עם זה;

$3 H^{+} + A l (O H)_{3} \overset{- ⇀}{↽ -} 3 H_{2} O + A l^{3 +} (a q)$ - מתנהג כבסיס ברונסטד-לאורי בתווך חומצי.

השוואה לתאוריית לוקס-פלד

בתאוריית לוקס-פלד, תגובות בין תחמוצות במצב נוזלי או מוצק מושוות לתגובות חומצה-בסיס, מה שלא נלקח בחשבון בתאוריית ברונסטד-לאורי. בתאוריה זאת, חומצה מוגדרת כקולטת תחמוצת, בעוד שבסיס יהיה התורם שלה^[22]. למשל, התגובה^[23]:

$S i O_{2} + C a O ⟶ C a O \cdot S i O_{2}$

מיוצגת באופן כללי על ידי:

$a c i d + b a s e ⟶ s a l t$

תגובה זו אינה עונה על ההגדרה של תאוריית ברונסטד-לאורי לחומצות ובסיסים. מצד שני, תחמוצת המגנזיום (MgO) פועלת כבסיס כאשר היא מגיבה עם תמיסה מימית של חומצה^[24].

$2 H^{+} + M g O (s) ⟶ M g^{2 +} (a q) + H_{2} O$

על פי ברונסטד-לאורי, צורן דו-חמצני (SiO₂) המומס במים, אמור להיות חומצה חלשה^[25].

$S i O_{2} (s) + 2 H_{2} O \overset{- ⇀}{↽ -} S i (O H)_{4} (s o l u t i o n)$

$S i (O H)_{4} \overset{- ⇀}{↽ -} S i (O H)_{3} O^{-} + H^{+}$

לפי תאוריית לוקס-פלד, תרכובות כדוגמת MgO ו-SiO₂ בפאזה מוצקה, עשויות להיות מסווגות כחומצות או בסיסים. לדוגמה, המינרל אוליבין עשוי להיחשב כתרכובת של תחמוצת בסיסית, MgO, עם תחמוצת חומצית, סיליקה, SiO₂תבנית:הערה.

ראו גם

בופר

לקריאה נוספת

קישורים חיצוניים

תבנית:תקציר פורטל

ביאורים

תבנית:ביאורים

הערות שוליים

תבנית:הערות שוליים תבנית:ערך מומלץ תבנית:סוגי חומצות ובסיסים

[1] תבנית:קישור כללי

[2] תבנית:צ-מאמר

[3] תבנית:צ-ספר

[4] תבנית:צ-ספר

[5] תבנית:צ-ספר

[6] תבנית:צ-ספר

[:0-7] 7.0 ^7.1 תבנית:קישור כללי

[8] תבנית:צ-מאמר

[9] תבנית:צ-ספר

[10] תבנית:קישור כללי

[11] תבנית:קישור כללי

[:1-12] 12.0 ^12.1 תבנית:קישור כללי

[13] תבנית:צ-ספר

[14] תבנית:קישור כללי

[15] תבנית:קישור כללי

[16] תבנית:קישור כללי

[review1940-17] 17.0 ^17.1 תבנית:Cite journal

[18] תבנית:קישור כללי

[19] תבנית:צ-ספר

[20] תבנית:קישור כללי

[21] תבנית:קישור כללי

[22] תבנית:קישור כללי

[23] תבנית:צ-מאמר

[24] תבנית:קישור כללי

[25] תבנית:צ-ספר

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

תאוריית ברונסטד–לאורי

תוכן עניינים