Bas (kemi) - Base (chemistry)

Syror och baser
Syra Syra -bas -reaktion Syra -baserad homeostas Syrstyrka Surhetsfunktion Amfoterism Bas Buffertlösningar Dissociation konstant Jämviktskemi Extraktion Hammets surhetsfunktion pH Protonaffinitet Självjonisering av vatten Titrering Lewis -syrakatalys Frustrerat Lewis -par Chiral Lewis syra
syratyper
Brønsted – Lowry Lewis Acceptor Mineral Organisk Oxid Stark Superacids Svag Fast
bass typer
Brønsted – Lowry Lewis Givare Organisk Oxid Stark Superbaser Icke-nukleofil Svag
v t e

Inom kemi finns det tre definitioner i vanlig användning av ordet bas , kända som Arrhenius -baser, Brønsted -baser och Lewis -baser. Alla definitioner är överens om att baser är ämnen som reagerar med syror som ursprungligen föreslogs av G.-F. Rouelle i mitten av 1700-talet.

Svante Arrhenius föreslog 1884 att en bas är ett ämne som dissocierar i vattenlösning för att bilda hydroxidjoner OH ^- . Dessa joner kan reagera med vätejoner (H ⁺ enligt Arrhenius) från dissociation av syror för att bilda vatten i en syra -bas -reaktion . En bas var därför en metallhydroxid såsom NaOH eller Ca (OH) ₂ . Sådana vattenhaltiga hydroxidlösningar beskrevs också av vissa karakteristiska egenskaper. De är hala vid beröring, kan smaka bittert och ändra färg på pH -indikatorer (t ex bli rött lakmuspapper blått).

I vatten, genom att förändra autoionization jämvikt , baser ge lösningar i vilka vätejoner aktiviteten är lägre än det är i rent vatten, dvs, har vattnet en pH högre än 7,0 vid standardbetingelser. En löslig bas kallas alkali om den innehåller och frigör OH ^- joner kvantitativt . Metalloxider , hydroxider och särskilt alkoxider är basiska, och konjugerade baser av svaga syror är svaga baser.

Baser och syror ses som kemiska motsatser eftersom effekten av en syra är att öka koncentrationen av hydronium (H ₃ O ⁺ ) i vatten, medan baser minskar denna koncentration. En reaktion mellan vattenlösningar av en syra och en bas kallas neutralisering , vilket ger en lösning av vatten och ett salt i vilket saltet separeras i dess komponentjoner. Om den vattenhaltiga lösningen är mättad med en given salt löst ämne , någon ytterligare sådant salt utfälles ur lösningen.

I den mer allmänna Brønsted – Lowry syra -bas teorin (1923) är en bas en substans som kan acceptera vätekatjoner (H ⁺ ) - annars kallad protoner . Detta inkluderar vattenhaltiga hydroxider eftersom OH ^- reagerar med H ^{+ för} att bilda vatten, så att Arrhenius -baser är en delmängd av Brønsted -baser. Det finns dock också andra Brønsted -baser som accepterar protoner, såsom vattenlösning av ammoniak (NH ₃ ) eller dess organiska derivat ( aminer ). Dessa baser innehåller inte en hydroxidjon men reagerar ändå med vatten, vilket resulterar i en ökning av koncentrationen av hydroxidjon. Vissa icke-vattenhaltiga lösningsmedel innehåller också Brønsted-baser som reagerar med solvaterade protoner. Till exempel i flytande ammoniak , NH ₂ ^- är den basiska jonarten som accepterar protoner från NH ₄ ⁺ , den sura arten i detta lösningsmedel.

GN Lewis insåg att vatten, ammoniak, och andra baser kan bilda en bindning med en proton på grund av den odelat av elektroner som baserna besitter. I Lewis -teorin är en bas en elektronpargivare som kan dela ett par elektroner med en elektronacceptor som beskrivs som en Lewis -syra. Lewis-teorin är mer allmän än Brønsted-modellen eftersom Lewis-syran inte nödvändigtvis är en proton, utan kan vara en annan molekyl (eller jon) med en ledig lågt liggande orbital som kan ta emot ett par elektroner. Ett anmärkningsvärt exempel är bortrifluorid (BF ₃ ).

Några andra definitioner av både baser och syror har föreslagits tidigare, men används inte vanligt idag.

Egenskaper

Basers allmänna egenskaper inkluderar:

• Koncentrerade eller starka baser är frätande på organiskt material och reagerar våldsamt med sura ämnen.
• Vattenhaltiga lösningar eller smälta baser dissocierar i joner och leder elektricitet.
• Reaktioner med indikatorer : baser blir rött lakmuspapper blått, fenolftaleinrosa, håller bromotymolblått i sin naturliga blå färg och blir metylorangegult.
• Det pH av en basisk lösning vid standardbetingelser är större än sju.
• Baser är bittra.

Reaktioner mellan baser och vatten

Följande reaktion representerar den allmänna reaktionen mellan en bas (B) och vatten för att producera en konjugatsyra (BH ⁺ ) och en konjugatbas (OH ^- ):

B _(aq) + H ₂ O _{( l )} ⇌ BH ⁺ _(aq) + OH ^- _(aq)

Jämviktskonstanten, _Kb , för denna reaktion kan hittas med hjälp av följande allmänna ekvation:

K _b = [BH ⁺ ] [OH ^- ]/[B]

I denna ekvation tävlar basen (B) och den extremt starka basen (den konjugerade basen OH ^- ) om protonen. Som ett resultat har baser som reagerar med vatten relativt små jämviktskonstantvärden. Basen är svagare när den har ett lägre jämviktskonstantvärde.

Neutralisering av syror

Baser reagerar med syror för att neutralisera varandra snabbt i både vatten och alkohol. När den löses i vatten joniserar den starka basen natriumhydroxid till hydroxid och natriumjoner:

NaOH → Na⁺
+ OH^-

och på liknande sätt, i vatten syravätekloridformer hydroniumjoner och kloridjoner:

HCl + H
₂O → H
₃O⁺
+ Cl^-

När de två lösningarna blandas kommer H
₃O⁺
och OH^-
joner kombineras för att bilda vattenmolekyler:

H
₃O⁺
+ OH^-
→ 2 H
₂O

Om lika stora mängder NaOH och HCl löses upp, neutraliseras basen och syran exakt och lämnar endast NaCl, effektivt bordsalt , i lösning.

Svaga baser, som natron eller äggvita, bör användas för att neutralisera eventuella sura utsläpp. Neutraliserande syrautsläpp med starka baser, såsom natriumhydroxid eller kaliumhydroxid , kan orsaka en våldsam exoterm reaktion, och själva basen kan orsaka lika mycket skada som det ursprungliga syrautsläppet.

Alkalinitet av icke-hydroxider

Baser är i allmänhet föreningar som kan neutralisera en mängd syror. Både natriumkarbonat och ammoniak är baser, även om ingen av dessa ämnen innehåller OH^-
grupper. Båda föreningarna accepterar H ⁺ när de löses i protiska lösningsmedel som vatten:

Na ₂ CO ₃ + H ₂ O → 2 Na ⁺ + HCO ₃ ^- + OH ^-

NH ₃ + H ₂ O → NH ₄ ⁺ + OH ^-

Från detta kan ett pH eller surhet beräknas för vattenhaltiga lösningar av baser. Baser fungerar också direkt som elektronpargivare själva:

CO ₃ ²⁻ + H ⁺ → HCO ₃ ^-

NH ₃ + H ⁺ → NH ₄ ⁺

En bas definieras också som en molekyl som har förmågan att acceptera en elektronparbindning genom att gå in i en annan atoms valensskal genom dess besittning av ett elektronpar. Det finns ett begränsat antal element som har atomer med förmåga att tillhandahålla en molekyl med grundläggande egenskaper. Kol kan fungera både som bas och kväve och syre . Fluor och ibland sällsynta gaser har också denna förmåga. Detta förekommer typiskt i föreningar såsom butyllitium , alkoxider och metallamider såsom natriumamid . Baser av kol, kväve och syre utan resonansstabilisering är vanligtvis mycket starka, eller superbaser , som inte kan existera i en vattenlösning på grund av vattenets surhet. Resonansstabilisering möjliggör emellertid svagare baser, såsom karboxylater; till exempel, natriumacetat är en svag bas .

Starka baser

En stark bas är en grundläggande kemisk förening som kan avlägsna en proton (H ⁺ ) från (eller deprotonera ) en molekyl av till och med en mycket svag syra (t.ex. vatten) i en syra -bas -reaktion. Vanliga exempel på starka baser inkluderar hydroxider av alkalimetaller och jordalkalimetaller, som NaOH och Ca (OH)
₂, respektive. På grund av deras låga löslighet kan vissa baser, såsom jordalkalihydroxider, användas när löslighetsfaktorn inte beaktas. En fördel med denna låga löslighet är att "många antacida var suspensioner av metallhydroxider såsom aluminiumhydroxid och magnesiumhydroxid". Dessa föreningar har låg löslighet och har förmågan att stoppa en ökning av koncentrationen av hydroxidjonen, vilket förhindrar skador på vävnaderna i munnen, matstrupen och magen. När reaktionen fortsätter och salterna löser sig, reagerar magsyran med hydroxiden som produceras av suspensionerna. Starka baser hydrolyserar i vatten nästan helt, vilket resulterar i utjämningseffekten . "I denna process kombineras vattenmolekylen med en stark bas, på grund av vattnets amfoteriska förmåga; och, en hydroxidjon frigörs. Mycket starka baser kan till och med deprotonera mycket svagt sura C – H -grupper i frånvaro av vatten. Här är en lista över flera starka baser:

Litiumhydroxid	LiOH
Natriumhydroxid	NaOH
Kaliumhydroxid	KOH
Rubidiumhydroxid	RbOH
Cesiumhydroxid	CsOH
Magnesiumhydroxid	Mg (OH) 2
Kalcium hydroxid	Ca (OH) 2
Strontiumhydroxid	Sr (OH) 2
Bariumhydroxid	Ba (OH) 2
Tetrametylammoniumhydroxid	N (CH 3) 4ÅH
Guanidine	HNC (NH 2) 2

Katjonerna av dessa starka baser förekommer i de första och andra grupperna i det periodiska systemet (alkali- och jordalkalimetaller). Tetraalkylerade ammoniumhydroxider är också starka baser eftersom de dissocieras helt i vatten. Guanidin är ett specialfall av en art som är exceptionellt stabil när den protoneras, analogt med anledningen som gör perklorsyra och svavelsyra till mycket starka syror.

Syror med ap K _a på mer än cirka 13 anses vara mycket svaga, och deras konjugerade baser är starka baser.

Superbaser

Grupp 1 -salter av karbanjoner, amider och hydrider tenderar att vara ännu starkare baser på grund av den extrema svagheten hos deras konjugerade syror, som är stabila kolväten, aminer och diväte. Vanligtvis skapas dessa baser genom att tillsätta rena alkalimetaller såsom natrium i konjugatsyran. De kallas superbaser , och det är omöjligt att hålla dem i vattenlösning eftersom de är starkare baser än hydroxidjonen. Som sådan deprotonerar de konjugerat surt vatten. Till exempel genomgår etoxidjonen (konjugatbasen av etanol) i närvaro av vatten denna reaktion.

CH
₃CH
₂O^-
+ H
₂O → CH
₃CH
₂OH + OH^-

Exempel på vanliga superbaser är:

• Butyllitium (nC ₄ H ₉ Li)
• Litiumdiisopropylamid (LDA) [(CH ₃ ) ₂ CH] ₂ NLi
• Litiumdietylamid (LDEA) (C
  ₂H
  ₅)
  ₂NLi
• Natriumamid (NaNH ₂ )
• Natriumhydrid (NaH)
• Litium bis (trimetylsilyl) amid [(CH
  ₃)
  ₃Si]
  ₂NLi

De starkaste superbaserna syntetiserades bara i gasfasen:

• Ortodietynylbensen-dianjon (C ₆ H ₄ (C ₂ ) ₂ ) ²⁻ (Detta är det starkaste superbasen som någonsin syntetiserats)
• Metadietynylbensen-dianion (C ₆ H ₄ (C ₂ ) ₂ ) ²⁻ (näst starkaste superbas)
• Paradietynylbensen-dianion (C ₆ H ₄ (C ₂ ) ₂ ) ²⁻ (tredje starkaste)
• Litium koloxid anjon (LiO ^- ) ansågs vara den starkaste Super före dietynylbensen dianjoner skapades.

Svaga baser

En svag bas är en som inte joniserar helt i en vattenlösning , eller där protoneringen är ofullständig. Till exempel överför ammoniak en proton till vatten enligt ekvationen

${\ displaystyle NH_ {3} (aq)+H_ {2} O (l) \ rightleftharpoons NH_ {4}^{+} (aq)+OH^{-} (aq)}$

Den jämviktskonstanten för denna reaktion vid 25 ° C är 1,8 x 10 ^-5 , så att omfattningen av reaktionen eller graden av jonisering är ganska liten.

Lewis baserar

En Lewis-bas eller elektronpargivare är en molekyl med ett högenergipar elektroner som kan delas med en ledig orbital med låg energi i en acceptormolekyl för att bilda en addukt . Förutom H ⁺ , möjliga acceptorer (Lewis syror) inkluderar neutrala molekyler, såsom BF ₃ och metalljoner, såsom Ag ⁺ eller Fe ³⁺ . Addukter som involverar metalljoner beskrivs vanligtvis som koordinationskomplex .

Enligt den ursprungliga formuleringen av Lewis uppstår ett tillstånd av elektrisk spänning när en neutral bas bildar en bindning med en neutral syra. Syran och basen delar elektronparet som tidigare endast tillhörde basen. Som ett resultat skapas ett högt dipolmoment, som bara kan förstöras genom att omorganisera molekylerna.

Solida underlag

Exempel på fasta baser inkluderar:

• Oxidblandningar: SiO ₂ , Al ₂ O ₃ ; MgO, SiO ₂ ; CaO, SiO ₂
• Monterade baser: LiCO ₃ på kiseldioxid; NR ₃ , NH ₃ , KNH ₂ på aluminiumoxid; NaOH, KOH monterad på kiseldioxid på aluminiumoxid
• Oorganiska kemikalier: BaO, KNaCO ₃ , BeO, MgO, CaO, KCN
• Anjonbyteshartser
• Kol som har behandlats vid 900 grader Celsius eller aktiveras med N ₂ O, NH ₃ , ZnCl ₂ -NH ₄ Cl -CO ₂

Beroende på en fast yts förmåga att framgångsrikt bilda en konjugerad bas genom att absorbera en elektriskt neutral syra, bestäms ytans grundstyrka. "Antalet grundläggande platser per enhetens ytarea" används för att uttrycka hur mycket bas som finns på en fast baskatalysator. Forskare har utvecklat två metoder för att mäta mängden grundläggande platser: titrering med bensoesyra med hjälp av indikatorer och gasformig syraadsorption. Ett fast ämne med tillräcklig basstyrka kommer att absorbera en elektriskt neutral syraindikator och få syraindikatorns färg att ändras till färgen på dess konjugerade bas. Vid utförande av gasformig syraadsorptionsmetod används kväveoxid. Grundställena bestäms sedan med användning av mängden koldioxid än vad som absorberas.

Baser som katalysatorer

Grundämnen kan användas som olösliga heterogena katalysatorer för kemiska reaktioner . Några exempel är metalloxider såsom magnesiumoxid , kalciumoxid och bariumoxid samt kaliumfluorid på aluminiumoxid och några zeoliter . Många övergångsmetaller gör bra katalysatorer, varav många bildar basiska ämnen. Grundläggande katalysatorer har använts för hydrogeneringar , migrering av dubbelbindningar , i Meerwein-Ponndorf-Verley-reduktionen , Michael-reaktionen och många andra reaktioner. Både CaO och BaO kan vara mycket aktiva katalysatorer om de behandlas med högtemperaturvärme.

Användning av baser

• Natriumhydroxid används vid tillverkning av tvål, papper, och den syntetiska fibern rayon .
• Kalciumhydroxid (släckt kalk) används vid tillverkning av blekpulver.
• Kalciumhydroxid används också för att rengöra svaveldioxiden, som orsakas av avgaserna, som finns i kraftverk och fabriker.
• Magnesiumhydroxid används som en "antacida" för att neutralisera överskott av syra i magen och bota matsmältningsbesvär.
• Natriumkarbonat används som tvätt soda och för mjukning av hårt vatten.
• Natriumbikarbonat (eller natriumvätekarbonat) används som bakpulver i matlagning, för att göra bakpulver, som ett syrahindrande medel för att bota matsmältningsbesvär och i soda -brandsläckare.
• Ammoniumhydroxid används för att ta bort fettfläckar från kläder

Basers surhet

Antalet joniserbara hydroxid (OH-) joner som finns i en basmolekyl kallas basernas surhet. Baserat på surhetsgrader kan baser klassificeras i tre typer: monosyra, diacid och triacid.

Monosyra baser

När en molekyl av en bas via fullständig jonisering producerar en hydroxidjon sägs basen vara en monosyra bas. Exempel på monosyra baser är:

Natriumhydroxid , kaliumhydroxid , silverhydroxid , ammoniumhydroxid , etc.

Diasidiska baser

När en basmolekyl via fullständig jonisering producerar två hydroxidjoner sägs basen vara syrasyra. Exempel på syrasyra baser är:

Bariumhydroxid , magnesiumhydroxid , kalciumhydroxid , zinkhydroxid , järn (II) hydroxid , tenn (II) hydroxid , bly (II) hydroxid , koppar (II) hydroxid , etc.

Triacid baser

När en basmolekyl via fullständig jonisering producerar tre hydroxidjoner sägs basen vara triacid. Exempel på triacidbaser är:

Aluminiumhydroxid , järnhydroxid , guldtrihydroxid ,

Etymologi av termen

Begreppet bas härstammar från en äldre alkemisk föreställning om "matrisen":

Termen "bas" verkar ha använts första gången 1717 av den franska kemisten Louis Lémery som en synonym för den äldre paracelsianska termen "matris". I överensstämmelse med animismen från 1500-talet hade Paracelsus antagit att naturligt förekommande salter växte inom jorden som ett resultat av en universell syra eller sädesprincip som hade impregnerat en jordig matris eller livmoder. ... Dess moderna mening och allmänna introduktion i det kemiska ordförrådet brukar dock tillskrivas den franska kemisten Guillaume-François Rouelle . ... 1754 definierade Rouelle uttryckligen ett neutralt salt som produkten som bildas genom förening av en syra med vilket ämne som helst, vare sig det är en vattenlöslig alkali, en flyktig alkali, en absorberande jord, en metall eller en olja som kan fungerar som "en bas" för saltet "genom att ge det en konkret eller fast form." De flesta syror som var kända under 1700 -talet var flyktiga vätskor eller "sprit" som kunde destillera, medan salter till sin natur var kristallina fasta ämnen. Därför var det ämnet som neutraliserade syran som förmodligen förstörde flyktigheten eller andan i syran och som gav egenskapen soliditet (dvs gav en betongbas) till det resulterande saltet.

-  William Jensen, Ursprunget till termen "bas"

Se även

• Syror
• Syra -bas reaktioner
• Basrikedom (används inom ekologi, med hänvisning till miljöer)
• Konjugerad bas
• Lewis syror och baser
• Titrering

Referenser