Johannes Nicolaus Brønsted
(18791947)

Néhány megjegyzés a savak és a bázisok elméletéhez

Recueil des Travaux Chimiques des Pays-Bas, 42, 718728 (1923)
Részletek a 718721. és a 728. oldalról

(A ChemTeam gyûjteményében megjelent részletek alapján)


Kísérlet a savak és a bázisok definíciójára. Mióta Arrhenius megalkotta az elektrolitos disszociáció elméletét, nem bírálták szigorúan azt a definíciót legalábbis ami a savakat illeti , hogy a savak és a bázisok olyan anyagok, amelyek oldatban hidrogén- vagy hidroxilionokra bomlanak. Kitartóan ragaszkodunk ahhoz az elképzeléshez, hogy az A vegyület sav, ha a következõ séma szerint bomlik el részben vagy egészen, ha feloldjuk:
 

A ---> B + H+ (1)

A bázisokról alkotott felfogásunkat azonban többféle módon is megpróbálták módosítani. Elsõsorban P. Pfeiffer számos fém akva- és hidroxokomplexével végzett fontos vizsgálatai alapján adott annak hangot, hogy a bázisok savak jelenlétében sókat képeznek, ami az elektrolitos disszociáció elméletének szóhasználatával élve ahhoz a definícióhoz vezet, hogy a bázisok olyan anyagok, amelyek hidrogénionokat vehetnek fel. Bár ezt a gondolatmenetet meggyõzõen végigvihetjük a jelen dolgozatban, fontos elemei ellenére sem szolgálhat alapként a bázis definíciójának megváltoztatásához.

Michaelis Hydrogen Ion Concentration címû könyvében általánosabban kezelte a problémát. Õ a következõt tekinti a bázis egy lehetséges definíciójának: a bázis olyan speciális, elektromos semleges molekulafajta, amely hidrogénion megkötésére képes, és ezáltal pozitív ionná válhat. Michaelis további fejtegetései azonban a bázis szokásos definícióján alapulnak, és a szerzõ még nemvizes közegek esetén is a bázisok alapvetõ alkotórészének tekinti a hidroxiliont.

A jelen rövid dolgozat célja, hogy rámutasson a bázis egy módosított definíciójából eredõ elõnyökre.

Azonnal világossá válik, hogy milyen elõnyökkel jár, ha a bázist hidrogénion megkötésére képes anyagként definiáljuk. Az (1) séma, amely a sav (A) fogalmát definiálja, egyszersmind a bázis (B) fogalmát is definiálja, s így a savas és a bázikus tulajdonságok kölcsönös kapcsolatát is a legvilágosabb és legegyszerûbb módon mutatja.

A savak és bázisok kölcsönös definíciójának alapjául szolgáló (1) séma elõnyei nem csupán formálisak. Például az ammónia bázikus tulajdonságait kifejezhetjük a következõ egyenlettel:
 

NH4+ <===> NH3 + H+ (2)

és a szokásos formában is megadhatjuk:

NH4+ + OH¯ <===> NH4OH (3)

Mindkét séma, amint jól ismert, vizes oldatban egymással egyenértékû, tehát a (2) és (3) egyenlet felhasználásával azonos egyensúlyi feltételeket vezethetünk le termodinamikai szempontból, a hígításkor mutatkozó bázikus és savas tulajdonságokból, a részleges semlegesítésbõl stb. Az NH4OH vegyület, a hidratált ammónia jelenléte, ennélfogva a (3) egyenlet szerinti hidroxilion-képzõdés természetesen vizes oldatokra korlátozódik.

Ezzel eljutottunk a bázis (2) és (3) egyenlet szerinti értelmezésének alapvetõ különbségéhez. Ha a (3) sémát fogadjuk el a bázisok jellemzésére szolgáló alkalmas kifejezésként, minden egyes oldószer esetén külön kellene definiálnunk a bázist. Elméletileg azonban a savas és bázikus tulajdonságok függetlenek az oldószer jellegétõl, s a savak és bázisok fogalma valóban olyan általános, hogy ezeket a fogalmakat szükségképpen az önkényes oldószerek jellegétõl függetlenül kell formába öntenünk. Ezért a (3) sémától eltekintünk. A (2) séma tükrözi az ammónia bázikusságát, és az általános (1) séma szolgál a bázis abszolút definíciójára.

A fenti meggondolások eredménye precízebben a következõképpen fogalmazható meg: a savak, illetve a bázisok olyan anyagok, amelyek hidrogénionok leadására, illetve felvételére képesek. A savak és bázisok definíciójának lényegét ismét az (1) kifejezés szemlélteti:
 

A <===> B + H+ (1) 
(sav)   (bázis)

amely semmi többet nem árul el A és B tulajdonságairól. Azokat a savakat és bázisokat, amelyek az (1) szerinti kapcsolatban állnak egymással, egymásnak megfelelõ savaknak és bázisoknak nevezzük.

A kifejezés alakjából az következik, hogy az egymásnak megfelelõ savak és bázisok elektromos töltésállapota eltérõ. Ha A elektromosan semleges, mint a közönséges savmolekulák, B negatív töltésú, például:
 

CH3COOH <===> CH3COO¯ + H+
(sav)   (bázis)

ahol az acetátion bázisként viselkedik. Ha A pozitív töltésû, B-nek semlegesnek kell lennie, mint például az ammóniumion disszociációjakor:

NH4+ <===> NH3 + H+
(sav)   (bázis)

Negatív töltésû sav például az oxalátion, amely a következõképpen disszociál:

stb.

A savak és a bázisok általános definíciójából az is következik, hogy az ionokat is savakként és bázisokként kell kezelni. A sav- és a bázismolekula elektromos állapota elméleti szempontból nem játszik szerepet ebben a felfogásban. Gyakorlati szempontból hasznos lenne, ha a kölönbözõ egyensúlyokat a töltés szerint osztályozhatnánk, ezért a következõ terminológiát vezettem be erre a célra (I. táblázat):
 

 I. táblázat 
Elektromos 
töltés
A sav vagy
a bázis neve
Példák
Pozitív kation-sav NH4+
Pozitív kation-bázis NH2 . C6H4 . C6H4 . NH3+
Semleges semleges sav CH3COOH 
Semleges semlges bázis NH3
Negatív anion-sav
Negatív anion-bázis CH3COO¯ 

Az (1) séma a  sav-bázis rendszer sajátos elektromos jellegétõl függetlenül azt mutatja, hogy a szimmetria, amelyet a sav és a bázis viselkedése szempontjából alapvetõnek tartottunk a szokásos reprezentációban, eltûnik az új reprezentációban. A savak és a bázisok kölcsönös viselkedésének adott példáján keresztül azonban közvetlenül kifejezésre jut.

A hidrogénion, illetve az egymásnak megfelelõ sav és bázis közötti egyensúly, amelyet az (1) séma ír le, egyszerû sav-bázis egyensúlynak nevezhetõ. Két egyszerû rendszer összekeverésekor kettõs sav-bázis rendszer keletkezik és a kialakuló sav-bázis egyensúly mindig a következõképpen önthetõ formába:
 

sav1 + bázis2 <===> sav2 + bázis1 (4) 

Ez az egyensúly számos fontos reakció esetében fennáll; ilyen például a semlegesítés, a hidrolízis, az indikátorreakció stb.

[A szerzõ ezután számos esetre alkalmazza elméletét.]

Összegzés. A savak és bázisok kémiai jellege a legegyszerûbben és a legáltalánosabban a következõ sémával definiálható:

sav <===> bázis + H+

A hidroxilion nem játszik kitüntetett szerepet a bázikus tulajdonságok megjelenésében.

A savak és a bázisok erõsségének összehasonlítására nincs logikus mértékünk. A neutralitás szokásos felfogása nem létezik, vagy csak önkényes definíció esetén létezik. Ezért az oldószer, például a víz, elméleti szempontból nem tekinthetõ semlegesnek.

A sav-bázis és redukciós-oxidációs egyensúly analóg:

Az elsõ esetben a pozitív, a másodikban a negatív elektron játszik szerepet.


Vissza http://www.kfki.hu/chemonet/
http://www.ch.bme.hu/chemonet/