14.1 Brønsted-Lowry sýrur og basar

Sýru-basahvörf hafa verið rannsökuð lengi. Árið 1680 lýsti Robert Boyle eiginleikum sýrulausna, meðal annars því að þær geta leyst upp mörg efni, breytt lit ákveðinna náttúrulegra litarefna og misst þessa eiginleika eftir snertingu við alkalílausnir (basalausnir). Á átjándu öld var ljóst að sýrur hafa súrt bragð, hvarfast við kalkstein og losa gastegund (sem nú er þekkt sem CO₂) og hvarfast við alkalíefni og mynda hlutlaus efni. Árið 1815 lagði Humphry Davy mikið af mörkum til nútímaskilnings á sýrum og bösum með því að sýna fram á að vetni er nauðsynlegur hluti sýra. Um svipað leyti komst Joseph Louis Gay-Lussac að þeirri niðurstöðu að sýrur séu efni sem geta hlutleyst basa og að aðeins sé hægt að skilgreina þessa tvo efnaflokka út frá hvorum öðrum. Mikilvægi vetnis var undirstrikað á ný árið 1884 þegar Svante Arrhenius skilgreindi sýru sem efnasamband sem leysist upp í vatni og gefur af sér vetniskatjónir (sem nú eru taldar vera oxóníumjónir) og basa sem efnasamband sem leysist upp í vatni og gefur af sér hýdroxíðanjónir.

Johannes Brønsted og Thomas Lowry lögðu til almennari lýsingu árið 1923 þar sem sýrur og basar voru skilgreind út frá flutningi vetnisjóna, H⁺. (Athugið að þessar vetnisjónir eru oft einfaldlega kallaðar róteindir, þar sem sú öreind er eini hluti katjóna sem myndast úr algengustu samsætu vetnis, ¹H.) Efnasamband sem gefur öðru efnasambandi róteind kallast Brønsted-Lowry-sýra og efnasamband sem þiggur róteind kallast Brønsted-Lowry-basi. Sýru-basahvarf er því flutningur róteindar frá gjafa (sýru) til þega (basa).

Hugtakið um samstæð sýru-basa-pör er gagnlegt við lýsingu á Brønsted-Lowry-sýru-basahvörfum (og einnig öðrum afturkræfum hvörfum). Þegar sýra gefur H⁺ kallast efnategundin sem eftir verður samstæður basi sýrunnar, vegna þess að hún hvarfast sem róteindaþegi í bakhvarfinu. Á sama hátt breytist basi í samstæða sýru sína þegar hann þiggur H⁺. Hvarfið milli vatns og ammoníaks sýnir þessa hugmynd. Í framhvarfinu verkar vatn sem sýra með því að gefa ammoníaki róteind og verður þá að hýdroxíðjóni, OH⁻, samstæðum basa vatns. Ammoníak verkar sem basi þegar það þiggur þessa róteind og verður að ammóníumjóni, NH₄⁺, samstæðri sýru ammoníaks. Í bakhvarfinu verkar hýdroxíðjón sem basi með því að þiggja róteind frá ammóníumjóni, sem verkar sem sýra.

Hvarf Brønsted-Lowry-sýru við vatn kallast sýrujónun. Þegar vetnisflúoríð leysist til dæmis upp í vatni og jónast flytjast róteindir frá vetnisflúoríðsameindum til vatnssameinda og oxóníumjónir og flúoríðjónir myndast:

Basajónun efnategundar á sér stað þegar hún þiggur róteindir frá vatnssameindum. Í dæminu hér að neðan gangast pýridínsameindir, C₅H₅N, undir basajónun þegar þær leysast upp í vatni og hýdroxíðjónir og pýridíníumjónir myndast:

Fyrri jónunarhvörf benda til þess að vatn geti verkað bæði sem basi (eins og í hvarfi þess við vetnisflúoríð) og sýra (eins og í hvarfi þess við ammoníak). Efnategundir sem geta bæði gefið og þegið róteindir kallast amfíprótónskar, eða almennt tvíhegða, hugtak sem einnig má nota um sýrur og basa samkvæmt öðrum skilgreiningum en Brønsted-Lowry-skilgreiningunni. Jöfnurnar hér að neðan sýna tvö möguleg sýru-basahvörf fyrir tvær amfíprótónskar efnategundir, bíkarbónatjón og vatn:

Fyrri jafnan sýnir hvarf bíkarbónats sem sýru við vatn sem basa, en sú síðari sýnir hvarf bíkarbónats sem basa við vatn sem sýru. Þegar bíkarbónati er bætt í vatn myndast bæði þessi jafnvægi samtímis og hægt er að ákvarða samsetningu lausnarinnar með viðeigandi jafnvægisútreikningum, eins og lýst er síðar í þessum kafla.

Í vökvaformi geta sameindir amfíprótónsks efnis hvarfast hver við aðra, eins og sýnt er fyrir vatn í jöfnunum hér að neðan:

Ferlið þar sem sams konar sameindir hvarfast og mynda jónir kallast sjálfjónun. Fljótandi vatn sjálfjónast í mjög litlum mæli; við 25 °C eru um það bil tvær af hverjum milljarði vatnssameinda jónaðar. Umfang sjálfjónunar vatns endurspeglast í gildi jafnvægisfasta þess, jónafeldisfasta vatns, K_w:

Hin væga jónun hreins vatns endurspeglast í lágu gildi jafnvægisfastans; við 25 °C hefur K_w gildið 1,0 × 10⁻¹⁴. Ferlið er innvermið og því eykst umfang jónunar og styrkur oxóníumjóna og hýdroxíðjóna með hitastigi. Til dæmis er K_w um 5,6 × 10⁻¹³ við 100 °C, sem er um það bil 50 sinnum stærra en gildið við 25 °C.