نظریه‌های اسید و باز؛ از آرنیوس تا برونستد–لوری و لوویس

در تعریف آرنیوس، رفتار ماده را در آب بررسی کن

طبق تعریف آرنیوس، اسید ماده‌ای است که در آب غلظت یون هیدرونیوم H₃O⁺ را افزایش می‌دهد و باز ماده‌ای است که غلظت یون هیدروکسید OH⁻ را بالا می‌برد. برای نمونه HCl در آب پروتون خود را به مولکول آب می‌دهد: HCl + H₂O → H₃O⁺ + Cl⁻. سدیم هیدروکسید نیز با تفکیک یونی، یون هیدروکسید آزاد می‌کند: NaOH → Na⁺ + OH⁻.

نوشتن H⁺ در بعضی معادله‌های خلاصه رایج است، اما پروتون آزاد در آب عملاً به مولکول آب متصل می‌شود؛ ازاین‌رو H₃O⁺ نمایش دقیق‌تری است. تعریف آرنیوس برای توضیح خنثی‌شدن در محلول آبی بسیار مفید است: H₃O⁺ + OH⁻ → 2H₂O. بااین‌حال چون این تعریف به محیط آب و تولید این یون‌ها تکیه دارد، همه واکنش‌های اسید و باز را پوشش نمی‌دهد.

• اسید آرنیوس در آب مقدار H₃O⁺ را افزایش می‌دهد
• باز آرنیوس در آب مقدار OH⁻ را افزایش می‌دهد
• خنثی‌شدن خالص: H₃O⁺ + OH⁻ → 2H₂O
• وجود H یا OH در فرمول به‌تنهایی برای تشخیص کافی نیست

برونستد–لوری اسید و باز را با انتقال پروتون تعریف می‌کند

در نظریه برونستد–لوری، اسید دهنده پروتون و باز گیرنده پروتون است. اکنون می‌توان رفتار آمونیاک را بدون داشتن گروه OH توضیح داد: NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻. آمونیاک از آب پروتون می‌گیرد، پس باز است؛ آب پروتون می‌دهد، پس در این واکنش اسید است. یون OH⁻ در نتیجه انتقال پروتون تشکیل می‌شود، نه با جداشدن مستقیم از NH₃.

برای تعیین نقش مواد، به فرمول آن‌ها به‌تنهایی نگاه نکن؛ تغییر هر گونه را در دو سوی واکنش دنبال کن. گونه‌ای که یک H⁺ از دست داده اسید و گونه‌ای که یک H⁺ گرفته باز بوده است. این تعریف واکنش‌هایی را نیز توضیح می‌دهد که الزاماً در آب رخ نمی‌دهند؛ برای نمونه HCl + NH₃ → NH₄⁺ + Cl⁻ یک انتقال پروتون مستقیم از HCl به NH₃ است.

• اسید برونستد–لوری: دهنده H⁺
• باز برونستد–لوری: گیرنده H⁺
• نقش اسید یا باز از مقایسه دو سوی واکنش تعیین می‌شود
• هر باز برونستد برای گرفتن پروتون به یک جفت‌الکترون نیاز دارد

زوج‌های مزدوج فقط در یک پروتون تفاوت دارند

پس از آن‌که اسید پروتون خود را واگذار کرد، گونه باقی‌مانده «باز مزدوج» آن است. همچنین بازی که پروتون می‌گیرد به «اسید مزدوج» تبدیل می‌شود. در الگوی HA + B ⇌ A⁻ + BH⁺، زوج‌های مزدوج HA/A⁻ و B/BH⁺ هستند. اعضای هر زوج از نظر شمار اتم‌های هیدروژن یک واحد و از نظر بار الکتریکی نیز یک واحد تفاوت دارند.

در واکنش NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻، زوج NH₄⁺/NH₃ و زوج H₂O/OH⁻ را داریم. NH₄⁺ اسید مزدوج NH₃ و OH⁻ باز مزدوج H₂O است. مواد را بر اساس مجاورت در معادله جفت نکن؛ گونه‌های یک زوج ممکن است در دو سمت و دور از هم نوشته شده باشند. معیار قطعی، تفاوت دقیقاً یک H⁺ و ثابت‌ماندن بقیه ساختار است.

• اسید پس از دادن H⁺ به باز مزدوج تبدیل می‌شود
• باز پس از گرفتن H⁺ به اسید مزدوج تبدیل می‌شود
• اعضای زوج مزدوج دقیقاً یک H⁺ تفاوت دارند
• در هر انتقال پروتون، دو زوج اسید و باز مزدوج وجود دارد

آب می‌تواند هم اسید و هم باز باشد

بعضی گونه‌ها بسته به ماده مقابل می‌توانند پروتون بدهند یا بگیرند و «دوخصلتی» نامیده می‌شوند. آب در برابر HCl پروتون می‌گیرد و باز است، اما در برابر NH₃ پروتون می‌دهد و اسید به شمار می‌آید. پس برچسب اسید یا باز همیشه ویژگی جدا از واکنش نیست و شریک واکنش در تعیین نقش اهمیت دارد.

یون هیدروژن‌کربنات HCO₃⁻ نیز دوخصلتی است. می‌تواند پروتون بگیرد و H₂CO₃ بسازد یا پروتون بدهد و به CO₃²⁻ تبدیل شود. برای تشخیص دوخصلتی‌بودن، بررسی کن آیا گونه هم هیدروژن قابل‌واگذاری دارد و هم می‌تواند با پذیرش H⁺ ساختار معناداری بسازد. دوخصلتی‌بودن را با خنثی‌بودن محلول یکی ندان؛ pH نهایی به تعادل‌ها و قدرت نسبی اسیدی و بازی وابسته است.

• نقش آب در برابر اسید قوی: باز
• نقش آب در برابر باز: اسید
• HCO₃⁻ می‌تواند H⁺ بگیرد یا واگذار کند
• دوخصلتی بودن الزاماً به معنی pH برابر ۷ نیست

نظریه لوویس جفت‌الکترون را دنبال می‌کند

در نظریه لوویس، باز دهنده جفت‌الکترون و اسید پذیرنده جفت‌الکترون است. یون H⁺ یک اوربیتال خالی برای پذیرش جفت‌الکترون دارد و NH₃ نیز روی اتم نیتروژن یک جفت‌الکترون ناپیوندی دارد؛ بنابراین تشکیل پیوند در NH₄⁺ را می‌توان واکنش باز لوویس NH₃ با اسید لوویس H⁺ دانست. پیوند تازه در آغاز با تأمین هر دو الکترون از سوی باز تشکیل می‌شود.

مزیت تعریف لوویس این است که واکنش بدون انتقال پروتون را هم توضیح می‌دهد. در BF₃، اتم بور لایه ظرفیت کامل ندارد و می‌تواند جفت‌الکترون NH₃ را بپذیرد؛ پس BF₃ اسید لوویس و NH₃ باز لوویس است و فرآورده F₃B←NH₃ تشکیل می‌شود. هر اسید برونستد هنگام واگذاری H⁺ زمینه پذیرش جفت‌الکترون را فراهم می‌کند، اما هر اسید لوویس الزاماً پروتون ندارد؛ به همین دلیل تعریف لوویس گسترده‌تر است.

• اسید لوویس: پذیرنده جفت‌الکترون
• باز لوویس: دهنده جفت‌الکترون
• جفت‌الکترون ناپیوندی معمولاً جایگاه بازی لوویس است
• BF₃ بدون داشتن هیدروژن، اسید لوویس محسوب می‌شود

قدرت اسید را از تعداد پروتون‌های فرمول نتیجه نگیر

قدرت اسید نشان می‌دهد چه اندازه تمایل دارد در یک محیط مشخص پروتون واگذار کند و با غلظت یا تعداد Hهای فرمول یکسان نیست. HCl در آب تقریباً کامل یونیده می‌شود و اسید قوی است، در حالی که CH₃COOH فقط تا حدی یونش می‌یابد و اسید ضعیف است. یک محلول رقیق از اسید قوی نیز می‌تواند H₃O⁺ کمتری از محلول غلیظ یک اسید ضعیف داشته باشد؛ پس «قوی» و «غلیظ» دو مفهوم جدا هستند.

میان قدرت اعضای یک زوج مزدوج رابطه وارونه وجود دارد: اسید قوی‌تر باز مزدوج ضعیف‌تری دارد. یون Cl⁻، باز مزدوج HCl، در آب تمایل ناچیزی به گرفتن پروتون دارد؛ اما CH₃COO⁻، باز مزدوج اسید استیک ضعیف، می‌تواند از آب پروتون بگیرد. برای پیش‌بینی جهت یک تعادل انتقال پروتون، به‌طور کیفی انتظار داریم واکنش بیشتر به سوی اسید و باز ضعیف‌تر پیش برود.

• قدرت اسید با درصد یونش مرتبط است، نه مقدار محلول
• اسید قوی و اسید غلیظ هم‌معنی نیستند
• هرچه اسید قوی‌تر باشد، باز مزدوج آن ضعیف‌تر است
• تعادل انتقال پروتون معمولاً گونه‌های ضعیف‌تر را ترجیح می‌دهد

مثال حل‌شده: نقش‌ها و زوج‌های مزدوج را پیدا کن

واکنش HSO₄⁻ + NH₃ ⇌ SO₄²⁻ + NH₄⁺ را بررسی کن. HSO₄⁻ در سمت فرآورده به SO₄²⁻ تبدیل شده است؛ یعنی یک H⁺ از دست داده و اسید برونستد–لوری است. NH₃ با گرفتن همان H⁺ به NH₄⁺ تبدیل شده و باز برونستد–لوری است.

باز مزدوج HSO₄⁻، یون SO₄²⁻ و اسید مزدوج NH₃، یون NH₄⁺ است؛ بنابراین دو زوج HSO₄⁻/SO₄²⁻ و NH₄⁺/NH₃ هستند. کنترل بار نیز انتقال پروتون را تأیید می‌کند: بار گونه دهنده پس از خروج H⁺ یک واحد منفی‌تر و بار گونه گیرنده یک واحد مثبت‌تر شده است. از دید لوویس، NH₃ جفت‌الکترون ناپیوندی نیتروژن را برای پیوند با پروتون در اختیار می‌گذارد و باز لوویس نیز هست.

تمرین روشن و نکات کلیدی

تمرین: در واکنش H₂PO₄⁻ + H₂O ⇌ H₃O⁺ + HPO₄²⁻، اسید، باز و زوج‌های مزدوج را مشخص کن. H₂PO₄⁻ یک پروتون از دست داده و به HPO₄²⁻ تبدیل شده است؛ پس اسید و HPO₄²⁻ باز مزدوج آن است. آب پروتون گرفته و H₃O⁺ ساخته است؛ پس باز و H₃O⁺ اسید مزدوج آن خواهد بود.

برای تحلیل هر واکنش ابتدا تغییر H و بار را در دو سوی معادله مقایسه کن. اگر H⁺ جابه‌جا شده، دهنده و گیرنده و سپس دو زوج مزدوج را بنویس. اگر انتقال پروتون دیده نمی‌شود اما پیوندی با اهدای جفت‌الکترون تشکیل می‌شود، از تعریف لوویس استفاده کن. در پایان بررسی کن اعضای هر زوج فقط یک H⁺ تفاوت داشته باشند و نقش ماده را از روی همان واکنش، نه صرفاً فرمول آن، تعیین کرده باشی.

• آرنیوس: افزایش H₃O⁺ یا OH⁻ در آب
• برونستد–لوری: انتقال H⁺
• لوویس: انتقال یا اشتراک جفت‌الکترون
• زوج مزدوج: تفاوت دقیقاً یک پروتون
• آب و بعضی یون‌ها می‌توانند دوخصلتی باشند
• قدرت را با غلظت و تعداد هیدروژن‌ها اشتباه نگیر