Mitkä ovat vahvat pohjat?

Vahvat emäkset ovat hyvin yleinen kemiallisten yhdisteiden luokka, jotka ovat erittäin hyödyllisiä sekä teollisuudessa että kotona. Sen merkitys piilee lukuisissa tärkeissä ja ilmeisesti erilaisissa kemiallisissa reaktioissa, jotka voidaan luokitella happo-emäs-reaktioiksi. Lisäksi ne ovat tärkeitä myös niiden reaktioiden suuren määrän vuoksi, joiden reaktiomekanismi alkaa tai sisältää jossain vaiheessa prosessia happo-emäs-reaktion, jossa emäksen on oltava vahva voidakseen reagoida huomattavasti heikon hapon kanssa.

Jatkossa keskustelemme siitä, mitä perusta on ja mikä tekee perustasta vahvan. Lisäksi tarkastelemme esimerkkejä yleisimmistä vahvoista emäksistä sekä luokkaa vielä vahvemmista emäksistä nimeltä superkanta.

peruskonsepti

Kemiassa on kolme teoriaa happo- emäsreaktioista , joista jokainen määrittelee emäkset eri tavalla:

• Arrheniuksen happo-emäs teoria
• Brønsted-Lowryn happo-emäs teoria
• Lewisin happo-emäs teoria

Arrheniuksen emäkset

Vanhin teoria on Arrheniuksen teoria, jonka mukaan emäs on mikä tahansa aine, joka pystyy vapauttamaan hydroksidi-ioneja dissosioituessaan vesiliuoksessa. Tässä mielessä Arrhenius-emästen käsite tarkoittaa, että ainoat emäkset ovat eri metallien ja metalloidien ionihydroksidit, jotka dissosioituvat vedessä seuraavan yhtälön mukaisesti:

jossa X edustaa metallikationin valenssia. Vaikka kaikki kemikaalit, jotka mukautuvat yllä olevaan reaktioon, ovat todellakin emäksiä, kaikki aineet, jotka käyttäytyvät kuten emäkset, eivät sisällä hydroksidi-ioneja osana niiden rakennetta. Siksi Arrhenius-emästen käsite on epätäydellinen.

Brønsted–Lowry-pohjat

Brønsted ja Lowry kehittivät happo-emäs-teorian, joka muuttaa tapaa, jolla näemme happo-emäs-reaktiot, ja sitä kautta tapamme nähdä happoja ja emäksiä. Näiden kirjoittajien mukaan happoja ja emäksiä ei voida erottaa erikseen, jolloin syntyy hydroksidi-ioneja tai protoneja, kuten Arrhenius on osoittanut. Päinvastoin, jotta aine toimisi emäksenä, sen on välttämättä reagoitava hapon kanssa, minkä vuoksi niitä kutsutaan happo-emäsreaktioksi.

Brønstedin ja Lowryn ideana oli määritellä happo aineeksi, joka pystyy luovuttamaan protonin (H ⁺ -ioni ) ja emäs aineeksi, joka pystyy vastaanottamaan protonin. Tällä tavalla emästen ei enää pakoteta vapauttamaan hydroksidi-ioneja suoraan, vaan ne voivat muodostaa niitä vesiliuoksessa poistamalla protonin vedestä seuraavan yhtälön mukaisesti:

Tämä käsite kattaa perinteiset Arrhenius-emäkset, koska Arrhenius-emäksen hydroksidi-ionit voivat poistaa protonin vedestä muodostaakseen muita hydroksidi-ioneja. Se sisältää myös muita aineita, kuten ammoniakkia, jonka rakenteessa ei ole OH-ioneja ^, mutta jotka voivat muodostaa näitä ioneja vesiliuoksessa yllä esitetyn reaktion kautta.

Lewisin tukikohdat

Lopuksi Lewis kehitti kemiallisen sidoksen teorian , joka ei vain yhdy Brønstedin ja Lowryn esittämään happo-emäsreaktioiden käsitteeseen, vaan myös selittää ne. Lewisin mukaan emäkset ovat aineita, joissa on runsaasti elektroneja ja joissa on vähintään yksi pari vapaita elektroneja, jotka voidaan luovuttaa hapolle koordinaatti- tai datiivisen kovalenttisen sidoksen muodostamiseksi . Toisaalta Lewis-happo on aine, josta puuttuu elektroneja ja joka pystyy ottamaan vastaan ​​elektroniparin emäksestä.

Lewisin käsitys hapoista ja emäksistä on laajin ja tarkin kaikista, koska sen lisäksi, että sitä sovelletaan happo-emäs-reaktioihin vesifaasissa (jossa happamuus ja emäksisyys löysivät ensimmäiset käyttötarkoituksensa). sen avulla voimme myös ymmärtää happojen ja emästen käyttäytymistä muissa väliaineissa ja erilaisissa liuottimissa.

Juuri tämän tosiasian ansiosta on mahdollista karakterisoida ja määritellä emästen perhe, joka on paljon vahvempi kuin emäkset, joita tyypillisesti pidämme vahvoina emäksinä ja joita siksi kutsutaan superemäksiksi.

Mitkä ovat vahvat pohjat?

Vahva emäs on Arrhenius-emäs, joka dissosioituu täysin vesiliuoksessa. Toisin sanoen vahvoilla emäksillä tarkoitetaan niitä hydroksideja, jotka ovat vahvoja elektrolyyttejä ja jotka veteen liuotettuna ionisoituvat täysin, jolloin muodostuu mahdollisimman suuri määrä hydroksidi-ioneja (OH ^– ) ja niitä vastaavia metallikationeja.

Voimme nähdä vahvan emäksen ionisoitumisen dissosiaatioreaktiona, joka tapahtuu vain yhteen suuntaan, jolloin kaikki liukeneva emäs siirtyy vesipitoiseen tilaan ioneina:

Tämä erottaa vahvat emäkset heikoista emäksistä, jotka ovat joko heikosti liukenevia kiinteitä aineita, jotka kyllästyvät nopeasti ja muodostavat seuraavanlaisen liukoisuustasapainon:

Tai ne ovat yhdisteitä, jotka liukeneessaan vain osa molekyyleistä dissosioituu johtuen homogeenisen tasapainon muodostumisesta, kuten jostakin seuraavista:

Vahvan emäksen käsite koskee ensisijaisesti emästen käyttäytymistä vesiliuoksessa, ja se rajoittuu yleensä vain joihinkin Arrhenius-emäksiin.

Tekijät, jotka määräävät, onko pohja vahva vai heikko

Aineen perusluonteen määräävät useat tekijät. Ensinnäkin hydroksidien emäksisyys liittyy suoraan niiden liukoisuuteen, mikä puolestaan ​​riippuu niitä muodostavista ioneista. Mitä pienempi hydroksidikationin elektronegatiivisuus on, sitä suurempi on ioninen luonne sen sidoksella hydroksidiryhmän kanssa, mikä helpottaa sen ionisaatiota.

Ottaen huomioon, että elektronegatiivisuus on jaksollinen ominaisuus, joka pienenee vasemmalle jakson yli ja alas ryhmän poikki, verrattaessa metallihydroksidien emäksisyyttä, mitä kauempana vasemmalle ja alaspäin metalli on, emäksisempi hydroksidi on.

Niiden emästen tapauksessa, jotka voidaan liuottaa veteen dissosioitumatta (molekyyliliukoisuus), emäksisyys määräytyy tasapainolla alkuperäisen emäksen stabiiliuden ja sen konjugaattihapon stabiiliuden välillä ja veden liukenemiskyvyn välillä. solvatoida yhtä tai toista kemiallista lajia.

Esimerkkejä yleisistä vahvoista emäksistä

Edellisessä osiossa olevat tiedot antavat meille selkeän vihjeen vahvojen vartijoiden tunnistamiseen. Itse asiassa yleisimmät vahvat emäkset ovat alkalimetallien hydroksidit (jaksollisen järjestelmän ryhmä 1) ja jotkin maa-alkalimetallien hydroksidit ( ryhmä 2). Tämä johtuu siitä, että nämä metallit vastaavat jaksollisen järjestelmän vähiten elektronegatiivia. Täydellinen luettelo yleisimmistä vahvoista emäksistä on esitetty seuraavassa taulukossa:

On huomattava, että kolme maa-alkalimetallihydroksidia (kalsium, strontium ja barium) ovat huonosti veteen liukenevia, joten niitä voidaan pitää vahvoina emäksinä vain, jos niiden pitoisuus on alle niiden liukoisuuden, mikä tarkoittaa liuoksia, joiden pitoisuus on alle 0,01 M .

superpohjat

Kun erilaisia ​​vahvoja emäksiä liuotetaan veteen, ei ole mahdollista erottaa, kumpi on vahvempi kuin toinen. Tästä syystä ne kaikki luokitellaan vahvoiksi perustaksi ja käytännön syistä hyväksytään, että kaikki ovat yhtä vahvoja. Tämä johtuu siitä, että vedellä on tasoittava vaikutus vahvoihin emäksiin (ja myös happoihin), koska mikä tahansa vahva emäs, joka hajoaa vedessä, reagoi välittömästi veden kanssa poistaen protoninsa ja siten muodostaen hydroksidi-ioneja.

Tästä syystä hydroksidi-ioni on vahvin emäs, joka voi olla vesipitoisessa väliaineessa, riippumatta siitä, kuinka vahva sen tuottanut emäs on. Se on kuin haluaisi vertailla kahden taistelijan voimaa sen perusteella, kuinka he pystyvät päihittämään puolustuskyvyttömän vauvan. On selvää, että molemmat voittavat taistelun helposti, eikä vauva pysty erottamaan kumpi on vahvin.

Lewisin happojen ja emästen käsite laajentaa kuitenkin ymmärryksemme happo-emäsreaktioista muihin väliaineisiin ja muihin liuottimiin.

Emäksisyys ei-vesipitoisessa väliaineessa

Jos haluamme verrata erittäin vahvojen emästen emäksisyyttä, meidän on liuotettava ne muihin väliaineisiin kuin veteen. Palatakseni edelliseen esimerkkiimme, tämä vastaa sanomista, että jos haluamme määrittää, kumpi taistelija on vahvempi, meidän on asetettava hänet yhtä vahvaa tai jopa vahvempaa taistelijaa vastaan.

Tässä mielessä voimme liuottaa happoja ja emäksiä muihin liuottimiin, jotka, kuten vesi, voivat toimia happoina reagoidessaan emästen kanssa, jolloin syntyy konjugaattiemäs, joka on vahvempi kuin OH – joka syntyy ^{vesiliuoksessa} . Näissä ympäristöissä Arrhenius-käsite hapoista ja emäksistä menettää merkityksensä kokonaan. Lisäksi jos tarkastellaan aproottisia liuottimia (jotka eivät voi luovuttaa tai vastaanottaa protoneja), niin Brønstedin ja Lowryn happo-emäskonsepti ei myöskään sovi. Kuitenkin kaikissa tapauksissa Lewisin happojen ja emästen käsite on edelleen voimassa.

Kun testaamme monien kemikaalien emäksisyyttä muissa liuottimissa kuin vedessä, huomaamme, että joistakin niistä, joita pidämme perinteisesti vahvoina emäksinä, jotkut ovat paljon emäksisempiä kuin toiset. Hydroksidit emäksinä rajoittuvat hydroksidi-ionin emäksisyyteen. Muilla emäksillä ei kuitenkaan ole tätä rajoitusta, ja ne ovat suuruusluokkaa vahvempia kuin hydroksidit.

Näitä emäksiä kutsutaan superemäksiksi.

Esimerkkejä superbaseista

Suurin osa superemäksistä vastaa sellaisten aineiden konjugaattiemäksiä, joita yleensä pidämme neutraaleina tai jopa heikkoina emäksinä. Muista, että konjugoitu emäs on se, mitä saat, kun happo menettää protonin, joten heikon emäksen konjugoitu emäs on se, mitä saat, kun emäs (kuten ammoniakki tai NH 3 ) reagoi happona hapon _sijaan . perusteella, kuten seuraava yhtälö osoittaa:

On odotettavissa, että neutraali aine, jolla on itsessään taipumus käyttäytyä emäksen tavoin, tuskin käyttäytyy kuin happo, joten konjugaattiemäs (edellä olevassa esimerkissä amididi-ioni tai NH 2 – ) on erittäin _vahva ^pohja vahva.

Muita esimerkkejä superemäksistä ovat:

• Alkoksidi-ionien suolat (alkoholien konjugaattiemäkset), kuten natrium- tai kaliummetoksidi, etoksidi, propoksidi ja tert-butoksidi.
• Alkaanien konjugaattiemästen suolat, joissa on karbanioneja, kuten n-butyylilitium.
• Amidit ja muut amiinien konjugaattiemäkset, kuten natriumamidi, kaliumdietyyliamidi ja litiumbis(trimetyylissilyyli)amidi.

Viitteet

Chang, R. (2020). Kemia (13. ^painos ). McGraw-Hill Interamericana.

Erottaja. (2020, 21. lokakuuta). Ero vahvojen ja heikkojen happojen ja emästen välillä (esimerkein) . https://www.diferenciador.com/acidos-y-bases-fuertes-y-debiles/

Kemian opas. (2010, 4. lokakuuta). Vahva pohja . https://quimica.laguia2000.com/conceptos-basicos/base-fuerte

Mott, V. (nd). Vahvat pohjat | Johdatus kemiaan . Lumen oppiminen. https://courses.lumenlearning.com/introchem/chapter/strong-bases/

Kemia.ES. (nd). strong_base . https://www.quimica.es/enciclopedia/Base_fuerte.html

Chemistry.NET. (nd). Esimerkkejä vahvasta pohjasta . https://www.quimicas.net/2015/05/ejemplos-de-base-fuerte.html

SciShow. (2017, 2. helmikuuta). Maailman vahvimmat tukikohdat . Youtube. https://www.youtube.com/watch?v=GrPQv6QEI8Y