En base eller alkali (fra arabisk : al-qaly القلي, القالي, 'aske') er et stoff som viser alkaliske egenskaper . I en første tilnærming stoff som i vandig løsning bidrar med ioner til mediet. [ 1 ] Et tydelig eksempel er kaliumhydroksid , med formelen KOH :
Begrepene base og syre er motstridende. For å måle basiciteten (eller alkaliniteten ) til et vandig medium, brukes konseptet pOH , som er supplert med pH , på en slik måte at , ( i CNPT er lik . Av denne grunn er bruken av pH generalisert både for syrer og for baser [ 2 ] [ 3 ]
Den opprinnelige definisjonen tilsvarer den som ble formulert i 1887 av Svante August Arrhenius . [ 4 ] Brønsted -Lowry syre-base teorien , formulert av Brønsted og Lowry i 1923, sier at et alkalisk stoff er et stoff som er i stand til å akseptere et proton (H + ). [ 5 ] Denne definisjonen omfatter den forrige: i det forrige eksemplet dissosierer KOH i løsning av OH − ioner , som er de som fungerer som en base ved å kunne akseptere et proton. Denne teorien kan også brukes i ikke-vandige løsningsmidler. [ 5 ]
Lewis i 1923 utvidet definisjonen av syrer og baser ytterligere, selv om denne teorien ikke ville få konsekvenser før år senere. I følge Lewis-teorien er en base et stoff som kan donere et par elektroner . [ 6 ] OH - ionet , som andre ioner eller molekyler som NH 3 , H 2 O , etc., har et ikke-bindende elektronpar, så de er baser. Alle baser i henhold til Arrhenius-teorien eller den til Brønsted og Lowry er igjen Lewis-baser.
Noen av de generelle egenskapene til baser er: [ 7 ]
Den svenske kjemikeren Svante August Arrhenius foreslo en teori om elektrolytisk dissosiasjon i 1887 [ 9 ] som sa at elektrolytter , i vandig løsning eller spindler, delvis dissosieres til elektrisk ladede ioner.
Elektrolytter er klassifisert i syrer , baser og salter . I følge Arrhenius er baser spesifikt stoffer som i vandig løsning gir hydroksylanioner , OH- , det vil si at de inneholder en eller flere hydroksylgrupper som kan erstattes av negative syreradikaler for å danne salter. For eksempel:
NaOH Na + + OH -Den danske kjemikeren Johannes Nicolaus Brønsted og engelskmannen Thomas Martin Lowry publiserte i 1923 uavhengig av hverandre en teori om oppførselen til syrer og baser som overgikk den nåværende, i disse årene, Arrhenius syre-base teori , siden den kunne brukes på alle type løsningsmiddel mens Arrhenius bare kunne brukes til vandige løsninger. [ 10 ] [ 11 ] I følge denne nye teorien er en syre et stoff som kan donere protoner, og en base er et stoff som kan akseptere . En syre og en base er konjugerte når de er relatert med ligningen:
surt proton + baseSom eksempler har vi:
CH 3 COOH H + + CH 3 COO -NH4 + H + + NH3 _
CO 3 H - H + + CO 3 2-Syrer og baser kan være ioner eller nøytrale molekyler. Hvis solvatiseringen av protonet, H + , av løsningsmidlet tas i betraktning , er forholdet mellom konjugatparene i vandig løsning:
A + H2O H3O + + B _i dette tilfellet fungerer vannet som en protonakseptor , det vil si som en base . Endringen kan generaliseres som følger:
Johannes Nicolaus Bronsted
Thomas Martin Lowry
hvor syre 1 er konjugert til base 1 og syre 2 er konjugert til base 2. Merk at vann kan fungere som enten en syre eller en base .
Brønsted og Lowry-teorien er ikke bred nok til å dekke alle tilfeller av sur eller basisk oppførsel av stoffer, siden den er begrenset til reaksjoner med protonutveksling . Det er stoffer som ikke har hydrogen og har sur oppførsel , for eksempel karbondioksid , CO 2 eller svoveltrioksid , SO 3 , oppfører seg som syrer , siden i nærvær av basiske oksider , som kalsiumoksid , CaO eller natriumoksid , Na 2 O, i fravær av løsemiddel og derfor uten protonoverføring, reagerer for å danne salter , natriumkarbonat , CaCO 3 eller natriumsulfat , Na 2 SO 4 , for eksempel. Reaksjonene kan representeres av følgende kjemiske ligninger:
CO 2 + CaO CaCO 3 SO 3 + Na 2 O Na 2 SO 4Tilsvarende reagerer reaksjonen mellom tionylklorid , Cl 2 SO, og kaliumsulfitt , K 2 SO 3 , oppløst i flytende svoveldioksid i henhold til ligningen:
2 Cl - + SO 2+ + SO 3 2- + 2 K + 2 Cl - + 2 K + + 2 SO 2som heller ikke inkluderer protolyse , det er reaksjonen i vandig løsning mellom saltsyre , HCl og natriumhydroksid , NaOH, som kan forklares med Brønsted og Lowry-teorien :
Cl - + H 3 O + + Na + + OH - Cl - + Na + + 2 H 2 ODisse reaksjonene involverer delvis overføring, medierende en dativ kovalent binding , av et par elektroner fra et oksygenatom til et annet atom.
Disse fakta førte til at Gilbert Newton Lewis uttalte i 1923 [ 12 ] og utviklet i 1938 en mer generell teori om syrer og baser, der det er definert at:
Lewis-teorien gir imidlertid ikke et kvantitativt estimat av reaksjonen mellom baser og syrer. Av denne grunn er det vanlig å anvende en kvalitativ evaluering kjent som Pearsons hard-myk syre-base-teori (kjent under akronymet HSAB), som beskriver hvordan myke syrer reagerer raskere og danner sterkere bindinger med myke baser , mens harde reagerer raskere . og danner sterkere bånd med harde baser , alle andre faktorer er like. [ 13 ] Klassifiseringen av det originale verket var basert på likevektskonstantene for reaksjoner av to konkurrerende Lewis-baser for en Lewis-syre .
harde baser | mellomliggende baser | myke baser |
---|---|---|
OH - , RO - , F - , Cl - , RCOO - , NO 3 - , NH 3 , RNH 2 , H 2 O, ROH, SO 4 2- , CO 3 2- , R 2 O, NR 2 - , NH 2 - | Br - , C 6 H 5 NH 2 , NO 2 - , C 5 H 5 N | RS- , RSH , I- , H- , R3C- , alken , C6H6 , R3P , ( RO ) 3P _ |
harde syrer | mellomliggende syrer | myke syrer |
H + , Li + , Na + , K + , Mg 2+ , Ca 2+ , Al 3+ , Cr 3+ , Fe 3+ , BF 3 , B(OR) 3 , AlR 3 , AlCl 3 , SO 3 , BF 3 , RCO + , CO 2 , RSO 2 + | Cu 2+ , Fe 2+ , Zn 2+ , SO 2 , R 3 C + , C 6 H 5 + , NO + | Ag + , Cu + , Hg 2+ , RS + , I + , Br + , Pb 2+ , BH 3 , karben |
Harde syrer og harde baser har en tendens til å ha:
Til slutt, ifølge Boyle , er baser de stoffene som har følgende egenskaper:
En sterk base er en som dissosieres fullstendig i vann, [ 15 ] dvs. den bidrar med maksimalt antall ioner . Kaliumhydroksid er et eksempel på en sterk base.
En svak base bidrar også med ioner til mediet, men antallet dissosierte molekyler er i likevekt med de som ikke er det.
I dette tilfellet er aluminiumhydroksidet i likevekt (brytes ned og dannes) med ionene det genererer.
En base dannes når et metalloksid reagerer med vann ( hydrolyse ): [ 16 ]
det samme er:
For å lage en base ved å bruke forskjellige nomenklaturer for dem tatt fra navnene på elementene og sammenføye dem med et hydroksylion (OH) , ta elementets valensnummer og kombinere dem (endre deres posisjon) som vist i tabellen:
Formel | Tradisjonell | Lager | IUPAC |
---|---|---|---|
CuOH | kobber(II)hydroksid | Kobber(I)hydroksid | kobberhydroksid |
Cu(OH) 2 | kobber(II)hydroksid | Kobber(II)hydroksid | kobberdihydroksid |
Når et element har mer enn to valenser, blir det ikke tildelt en tradisjonell nomenklatur. Når du bruker den lavere valensen ender elementet på bear og når du bruker den høyere ender det på ico . [ 17 ] [ 18 ] I IUPAC - nomenklaturen vil en konformasjon av prefikser bli gitt til elementet i henhold til dets valens (Mono, Di, Tri, Tetra, Penta, Hexa, osv.) sammen med endelsen -hydroxy u - hydroksyl , som er OH-ionet med −1 ladning ( ). [ 19 ]
Noen eksempler på baser er:
pH-verdien til en vandig prøve er et mål på surheten. [ 20 ] I rent vann dissosieres omtrent én av ti millioner molekyler til oksonioner (H 3 O + ) og hydroksidioner (OH-), i henhold til følgende ligning:
2H 2 O(l) → H 3 O + (aq) + OH − (aq)Konsentrasjonen, målt i molaritet (M eller mol per dm³), som er indikert som [H 3 O + ] og [OH − ] ioner, og produktet er dissosiasjonskonstanten til vann og har verdien 10 −7 M. _ pH er definert som −log [H 3 O + ], så rent vann har en pH på 7. Disse tallene er korrekte ved 23°C og er litt forskjellige ved andre temperaturer.
En base aksepterer (fjerner) hydroniumioner (H 3 O + ) fra løsning, eller frigjør hydroksidioner (OH − ) til løsning. Begge disse handlingene vil senke konsentrasjonen av hydroniumioner og dermed øke pH. Derimot avgir en syre H 3 O + -ioner til løsningen eller aksepterer den som OH − , og reduserer dermed pH.
For eksempel, hvis 1 mol natriumhydroksid (40 g) løses opp i vann for å lage 1 liter løsning, blir konsentrasjonen av hydroksidionene [[OH − ]] = 1 mol/L. Derfor [H + ] = 10 −14 mol/L, i pH = −log 10 −14 = 14. Merk at i denne beregningen antas aktivitet å være ekvivalent med konsentrasjon, noe som er urealistisk i konsentrasjoner på mer enn 0,1 mol dm −3 .
Dissosiasjonsbasen eller konstanten K b er et mål på basicitet. PKB er den negative logen til Kb og de relative pKa-verdiene ved det enkle forholdet pK a + pK b = 14.
Alkalinitet er et mål på en løsnings evne til å nøytralisere syrer til ekvivalenspunktet for karbonater eller hydrogenkarbonater.
Når en sterk base, for eksempel natriumhydroksid, løses opp i vann, brytes den ned (i dette tilfellet til natrium- og hydroksydioner):
NaOH → Na + + OH -På samme måte, hvis en syre er oppløst i vann, dissosieres den også; for eksempel, oppløsning av hydrogenklorid (saltsyre) danner oksonioner og kloridioner:
HCl + H2O → H3O + + Cl-Når de to løsningene med de dissosierte ionene blandes, kombineres H 3 O + ionene og OH − ionene for å danne vannmolekyler :
H 3 O + + OH − → 2H 2 OHvis like mengder natriumhydroksid og saltsyre løses opp, blir basen og syren nøyaktig nøytralisert, og etterlater bare NaCl i form av bunnfall ( vanlig salt ) og vann. Generelt kan det sies at: [ 21 ]
syre + base → salt + vann |
For å nøytralisere søl av eventuell syre, må det brukes svake baser, som brus eller eggehvite. Hvis det gjøres et forsøk på å nøytralisere et syresøl med en sterk base som natriumhydroksid eller kaliumhydroksid, kan en voldsom eksoterm reaksjon utløses, og virkningen av selve basen kan forårsake like mye skade som syreutslippet.
Baser er generelt forbindelser som kan nøytralisere et stort antall syrer. Både ammoniakk og natriumkarbonat er baser, selv om ingen av disse stoffene inneholder β OH-grupper. . Begge forbindelsene aksepterer H + når de er oppløst i vann:
Na 2 CO 3 + H 2 O → 2 Na + + HCO 3 − + OH − NH3 + H2O → NH4 + + OH- _Ut fra dette kan en pH, eller surhet, beregnes for vandige løsninger av baser. Baser fungerer også direkte som elektrondonorpar:
CO 3 2 − + H + → HCO 3 − NH3 + H + → NH4 +Karbon kan fungere som en base, og det samme kan nitrogen og oksygen . Dette skjer ofte i forbindelser som litiumbutyl, alkoksyder og metallamider, for eksempel natriumstivelse . Karbon-, nitrogen- og oksygenbaser uten den stabiliserte resonansen er vanligvis veldig sterke; de kalles superbaser , og de kan ikke eksistere i en løsning av vann på grunn av selve surheten til vannet. Resonansstabilisering, men tillater det i svakere baser som karboksylater; for eksempel er natriumacetat en svak base.
En sterk base er den som dissosieres fullstendig i vann, det vil si at den bidrar med maksimalt antall OH - ioner . For eksempel er kaliumhydroksid en sterk base.
KOH → OH−Bronsted-Lowry-teorien kvantifiserer styrken til baser, det vil si deres evne til å splitte et proton fra syren. Det måles ved konstanten K b - likevektskonstanten for reaksjonen med syrebasen for sammenligning. Jo høyere basicitetskonstanten, desto større styrke har basen og jo større er dens evne til å splitte protoner. Vanligvis uttrykkes basicitetskonstanten som grunntallskonstantene p K b . For eksempel kan ammoniakk som en Bronsted-base beskrives:
For polybasiske baser kan forskjellige verdier av dissosiasjonskonstantene Kb1 , Kb2 osv . oppnås. For eksempel kan et fosfation protoneres tre ganger
Styrken til basen kan også karakteriseres ved surhetskonstanten til dens konjugerte syre Ka (BH + ), hvor basisiteten til produktet er konstant K b ganger en konstant Ka ( BH + ), det ioniske produktet av vann for vandige løsninger, og autoprotolysekonstanten til det generelle løsningsmidlet.
Andre eksempler på sterke baser er alkalimetallhydroksider og jordalkali :
En svak base bidrar også med OH -ioner.−
til mediet, men antallet dissosierte molekyler er i likevekt med de som ikke er det.
I dette tilfellet er aluminiumhydroksidet i likevekt (brytes kontinuerlig ned og dannes) med ionene det genererer. Basicitetskonstanten ( K b ) til en base indikerer graden av dissosiasjon.
Gitt en base B, oppløsning av den i vann gir dens konjugerte syre BH + :
B(aq) + H 2 O(l) → BH + (aq) + OH - (aq)Og følgende ligning vil være gyldig (bare for svake baser), som relaterer konsentrasjonen til basicitetskonstanten;
p K b og p K a verdier for konjugatsyren i fortynnede vandige løsningergrunnlagsformel | Konjugert syreformel | pKb _ _ | p Ka ( BH + ) | grunnlagsformel | Konjugert syreformel | pKb _ _ | p Ka ( BH + ) |
---|---|---|---|---|---|---|---|
ClO 4 - | HClO4 _ | 19 ± 0,5 | -5±0,5 | HPO 4 2- | H2PO4- _ _ _ _ | 6,80 | 7.20 |
HSO 4 - | H2SO4 _ _ _ | 16,8 ± 0,5 | -2,8 ± 0,5 | ClO- _ | HClO | 6,75 | 7,25 |
H2O _ _ | H3O + _ _ | 15,74 | -1,74 | H2BO3- _ _ _ _ | H3BO3 _ _ _ | 4,76 | 9.24 |
IKKE 3 - | HNO 3 | 15.32 | -1,32 | NH3 _ | NH4 + _ | 4,75 | 9.25 |
HOOC-COO - | (COOH) 2 | 12,74 | 1,26 | NC- _ | HCN | 4,78 | 9.22 |
HSO 3 - | H2SO3 _ _ _ | 12.08 | 1,92 | CO32- _ _ | HCO3- _ _ | 3,67 | 10.33 |
SO 4 2- | HSO 4 - | 12.04 | 1,96 | HOO- _ | H2O2 _ _ _ | 11,62 | 3,38 |
H2PO4- _ _ _ _ | H3PO4 _ _ _ | 11,88 | 2.12 | PO 4 3- | HPO 4 2- | 1,68 | 12.32 |
F- _ | HF | 10,86 | 3.14 | ÅH- _ | H2O _ _ | -1,74 | 15,74 |
IKKE 2 - | HNO2 _ | 10,65 | 3,35 | NH2- _ _ | NH3 ( ? .) | -19 | 33 |
CH3COO- _ _ _ | CH3COOH _ _ | 9.24 | 4,76 | H- _ | H2 _ | -24.6 | 38,6 |
SH- _ | H2S _ _ | 6,95 | 7.05 | ? H3- _ | H4 _ | -44 | 58 |
Gruppe 1-salter av karbanioner , amider og hydrider har en tendens til å være enda sterkere baser på grunn av den ekstreme svakheten til deres konjugerte syrer, som er henholdsvis hydrokarboner , aminer og dihydrogener . Vanligvis lages disse basene ved å tilsette rene alkalimetaller, som natrium, til konjugatsyren. [ 22 ] De kalles superbaser og det er ikke mulig å holde dem i vandig løsning på grunn av at de er sterkere baser enn hydroksidionet, og det er derfor de deprotonerer vannet i konjugatsyren. For eksempel gjennomgår etoksidionet (konjugert base av etanol ) i nærvær av vann følgende reaksjon:
CHNoen superbaser er:
Når en sterk base, som natriumhydroksid, løses opp i vann, brytes den ned til hydroksidioner ( -OH ) og natriumioner:
NaOH → Na + + OH -På samme måte løses saltsyre eller hydrogenklorid i vann og danner oksoniumioner (H 3 O + ) og klorioner:
HCl + H2O → H3O + + Cl-Når vi blander de to løsningene, kombineres H 3 O + og OH - ionene for å danne vannmolekyler:
H 3 O + + OH − → 2 H 2 OHvis vi løser opp like mengder NaOH og HCl, nøytraliseres basen og syren nøyaktig, og etterlater bare NaCl, vanlig salt , i løsning.
Svake baser, som brus eller eggehvite , kan brukes til å nøytralisere syresøl. Bruk av sterke baser som natriumhydroksid eller kaliumhydroksid kan forårsake en voldsom eksoterm reaksjon med farligere effekter enn det opprinnelige syreutslippet.
Grunnleggende stoffer kan brukes som uløselige heterogene katalysatorer for kjemiske reaksjoner . Noen eksempler er metalloksider som magnesiumoksid , kalsiumoksid og bariumoksid , samt kaliumfluorid i alumina og noen zeolitter . Mange overgangsmetaller utgjør gode katalysatorer, hvorav mange danner grunnstoffer. Noen grunnleggende katalysatorer har blitt brukt til hydrogeneringer , dobbeltbindingsmigrasjoner , Meerwein-Ponndorf-Verley-reduksjonen , Michael -reaksjonen og mange andre reaksjoner.