브뢴스테드–저염산-염기론

브뢴스테드-산과^[1] 염기의 양성자 이론()은 1923년 요하네스 니콜라우스 브뢴스테드와 토마스 마틴 라우리가 각각 독립적으로 개발한 산-염기 반응 이론입니다.^[2]^[3] 이 이론의 기본 개념은 산과 염기가 서로 반응할 때 산은 결합염기를 형성하고, 염기는 양성자(수소 양이온, 또는⁺ H)의 교환에 의해 결합산을 형성한다는 것입니다. 이 이론은 아레니우스 이론을 일반화한 것입니다.

산과 염기의 정의

요하네스 니콜라우스 브뢴스테드와 토마스 마틴 라우리는 각각 산이 양성자(H⁺)를 기부하고 염기는 양성자를 받아들인다는 개념을 공식화했습니다.

아레니우스 이론에서 산은 수용액에서 해리되어 H(수소 이온 또는 양성자)를⁺ 주는 물질로 정의되고, 염기는 수용액에서 해리되어 OH⁻(수산화 이온)를 주는 물질로 정의됩니다.^[4]

1923년 덴마크의 물리학자 요하네스 니콜라우스 브뢴스테드와 영국의 토마스 마틴 라우리는 각각 독립적으로 그들의 이름을 딴 이론을 제안했습니다.^[5]^[6]^[7] 브뢴스테드에서--로우리 이론 산과 염기는 서로 반응하는 방식으로 정의되어 일반화됩니다. 이는 평형 방정식으로 가장 잘 설명됩니다.

산 + 염기 ⇌ 결합염기 + 결합산.

산인 HA는 다음과 같이 기호적으로 표현할 수 있습니다.

{\ce {HA + B <=> A- + HB+}

평형 부호인 ⇌는 반응이 전후 방향 모두에서 발생할 수 있기 때문에 사용됩니다(역방향). 산인 HA는 양성자를 잃어서 결합염기인 A가⁻ 될 수 있는 양성자 공여체입니다. 염기인 B는 양성자 수용체로 결합산인 HB가⁺ 될 수 있습니다. 대부분의 산-염기 반응은 빠르기 때문에 반응의 물질들은 보통 서로 동적 평형을 이루고 있습니다.^[8]

수용액

Acetic acid, CH3COOH, is composed of a methyl group, CH3, chemically bound to a carboxyl group, −COOH. The carboxyl group can lose a proton and donate it to a water molecule, H2O, leaving behind an ethanoate anion CH3COO− and creating a hydronium cation H3O+. This is an equilibrium reaction, so the reverse process can also take place. — 약산인 아세트산은 평형반응에서 물에 양성자(수소)를 기증하여 아세트산 이온과 히드로늄 이온을 공급합니다.
산소

탄소

수소

양성자(수소)

다음과 같은 산-염기 반응을 고려합니다.

{\ce {CH3COOH + H2O <=> CH3COO- + H3O+}

아세트산, CHCOOH는₃ 물(HO₂)에 양성자를 기증하여 결합염기인 아세테이트 이온(CHCOO₃⁻)이 되기 때문에 산입니다. HO는₂ CHCOOH로부터₃ 양성자를 받아들여 그 결합산인 히드로늄 이온(HO₃⁺)이 되기 때문에 염기입니다.^[9]

산-염기 반응의 역반응은 첫 번째 반응에서 염기의 결합산과 산의 결합염기 사이의 산-염기 반응이기도 합니다. 위의 예에서 에타노에이트는 역반응의 염기이고 하이드로늄 이온은 산입니다.

{\ce {H3O++CH3COO- <=> CH3COOH+H2O}

브뢴스테드의 한 특징은-아레니우스 이론과 대비되는 로우리 이론은 산을 필요로 하지 않는다는 것입니다.

양성물질

물의 양성자성

브뢴스테드의 정수-로우리 이론은 산은 염기와 관련해서만 그런 것이고, 그 반대의 경우도 마찬가지라는 것입니다. 물은 산이나 염기로 작용할 수 있기 때문에 양쪽성입니다. 오른쪽 그림에서 HO₂ 분자는 염기로 작용하여 H를⁺ 얻어 HO가₃⁺ 되고, 다른 분자는 산으로 작용하여 H를⁺ 잃어 OH가⁻ 됩니다.

또 다른 예는 수산화 알루미늄, Al(OH)과 같은 물질로 설명됩니다.₃

{\ce {\overset {(acid)}{Al(OH)3}}{}+ OH- <=> Al(OH)4^-}}

{\ce {3H+{}+ {\overset {(base)}{Al(OH)3}}<=> 3H2O{}+ Al_{(aq)}^3+}}

비수용액

수소 이온 또는 하이드로늄 이온은 브뢴스테드-HO에₂ 용해되었을 때 낮은 산과 수산화 이온이 염기가 되는 것은 자가 분리 반응 때문입니다.

{\ce {H2O + H2O <=> H3O+ + OH-}

액체 암모니아에서도 비슷한 반응이 일어납니다.

{\ce {NH3 + NH3 <=> NH4+ + NH2-}

따라서 액체 암모니아의 암모늄 이온인 NH+4는 물의 하이드로늄 이온에 해당하고, 암모니아의 아미드 이온인 NH-2는 물의 수산화 이온에 해당합니다. 암모늄염은 산으로 작용하고 아미드는 염기로 작용합니다.^[10]

일부 비수성 용매는 브뢴스테드와 관련하여 염기로서 작용할 수 있으며, 즉 양성자를 받아들입니다.저염산.

{\ce {HA + S <=> A- + SH+}

여기서 S는 용매 분자를 의미합니다. 이러한 용매 중 가장 중요한 것은 디메틸설폭사이드(dimethylsulfoxide), DMSO(dimethylsulfoxide) 및 아세토니트릴(acetonitrile), CHCN₃(ChCN)입니다. 이러한 용매는 탄소 함유 분자의 산 해리 상수를 측정하는 데 널리 사용되어 왔습니다. DMSO는 HO보다₂ 양성자를 더 강하게 받아들이므로 산은 물보다 이 용매에서 더 강해집니다.^[11] 실제로 많은 분자가 비수 용액에서는 산으로 작용하지만 수용액에서는 작용하지 않습니다. C-H 결합에서 양성자가 추출되는 탄소산의 극단적인 경우가 발생합니다.

일부 비수성 용매는 산으로 작용할 수 있습니다. 산성 용매는 용해된 물질을 더 염기성으로 만듭니다. 예를 들어, CHCOOH라는₃ 화합물은 물에서 산과 같은 역할을 하기 때문에 아세트산이라고 알려져 있습니다. 그러나 그것은 훨씬 더 산성 용매인 액체 염화수소에서 염기 역할을 합니다.^[12]

{\ce {HCl + CH3COOH <=> Cl- + CH3C(OH)2+}

루이스 산-염기 이론과의 비교

브뢴스테드와 라우리가 그들의 이론을 발표한 같은 해에 G. N. 루이스는 산-염기 반응에 대한 대안적인 이론을 만들었습니다. 루이스 이론은 전자 구조에 기반을 두고 있습니다. 루이스 염기는 전자쌍을 수용할 수 있는 화합물인 루이스 산에 전자쌍을 줄 수 있는 화합물입니다.^[13]^[14] 루이스의 제안은 브뢴스테드를 설명합니다.전자 구조물을 이용한 로우리 분류.

{\ce {HA + B <=> A- + BH+}

이 그림에서 염기 B와 결합 염기 A는⁻ 모두 전자의 한 쌍을 단독으로 운반하고 루이스 산인 양성자가 그들 사이에 전달되는 것으로 표시됩니다.

루이스는 나중에 "산 그룹을 수소를 포함하는 물질로 제한하는 것은 산소를 포함하는 물질로 산화제라는 용어를 제한하는 것만큼 화학에 대한 체계적인 이해를 심각하게 방해한다"^[14]고 썼습니다. 루이스 이론에서 산, A와 염기, B는 부가물, AB를 형성하고, 여기서 전자쌍은 A와 B 사이에 결합 공유 결합을 형성합니다. 이것은 암모니아와 삼불화붕소로부터 HN-BF라는₃₃ 부가물이 형성될 때 나타나는 반응으로, 삼불화붕소는 가수분해 반응에서 물과 격렬하게 반응하기 때문에 물에서는 일어날 수 없는 반응입니다.

{\ce {BF3 + 3H2O -> B(OH)3 + 3HF}

{\ce {HF <=> H+ + F-}

이 반응들은 BF가₃ 루이스와 브뢴스테드 둘 다에서 산이라는 것을 보여줍니다.낮은 분류와 두 이론이 서로 일치함을 보여줍니다.^{[citation needed]}

붕산은 반응 때문에 루이스 산으로 인식됩니다.

{\ce {B(OH)3 + H2O <=> B(OH)4- + H+}

이 경우 산은 분해되지 않지만 염기인 HO는₂ 분해됩니다. 이 반응에서 수소 이온이 방출되기 때문에 B(OH)₃ 용액은 산성입니다.

암모니아의 묽은 수용액에 소량의 암모늄 이온이 포함되어 있다는 강력한 증거가 있습니다.

{\ce {H2O + NH3 -> OH- + NH+4}

그리고 물에 용해되면 암모니아가 루이스 염기로 작용합니다.^[15]

Lux–Flood 이론과의 비교

고체 또는 액체 상태의 산화물 간의 반응은 Brønsted에서 제외됩니다.로우리 이론. 예를 들면 반응이.

{\ce {2MgO + SiO2 -> Mg2SiO4}

Brönsted에서는 다루지 않습니다.산과 염기의 정의가 낮습니다. 반면 산화마그네슘은 산의 수용액과 반응할 때 염기 역할을 합니다.

{\ce {2H+ + MgO(s) -> Mg^{2+}(aq) + H2O}}

용해된 SiO₂, 이산화규소는 브뢴스테드에서 약한 산으로 예측되었습니다.저급한 감각.^[16]

{\ce {SiO2(s) + 2H2O <=> Si(OH)4(solution)}}

{\ce {Si(OH)4 <=> Si(OH)3O- + H+}

Lux–Flood 이론에 따르면 고체 상태의 MgO나 SiO와₂ 같은 산화물을 산 또는 염기라고 부를 수 있습니다. 예를 들어, 미네랄 올리빈은 염기성 산화물인 MgO와 산성 산화물인 이산화규소인 SiO의₂ 화합물로 알려져 있을 수 있습니다. 이것은 지구화학에서 중요합니다.

참고문헌

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[13] Miessler, G. L., Tarr, D. A., (1991) "무기화학" 2위. 피어슨 프렌티스 홀 170–172쪽

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