Ο ορισμός του οξέος και της βάσης του Robert Boyle

Οι άνθρωποι γνωρίζουν τα οξέα και τις βάσεις εδώ και πολύ καιρό. Το 1680, ο Robert Boyle περιέγραψε για πρώτη φορά τα οξέα. Σημείωσε ότι διαλύουν μια μεγάλη ποικιλία ουσιών, αλλοιώνουν το χρώμα ορισμένων φυσικών χρωστικών (όπως η λακκούβα από μπλε σε κόκκινο), και στη συνέχεια ανακτούν αυτές τις ιδιότητες όταν εκτίθενται σε αλκάλια (βάσεις). Απελευθερώνει την αέρια ουσία CO2 κατά τις αντιδράσεις οξέος-ασβεστόλιθου τον δέκατο όγδοο αιώνα και τα οξέα και τα αλκάλια αλληλεπιδρούν για να σχηματίσουν ουδέτερες ουσίες. Ο Χάμφρυ Ντέιβι συνέβαλε στη σύγχρονη ιδέα της οξεοβασικής ιδέας, καθιερώνοντας ότι το υδρογόνο είναι βασικό συστατικό των οξέων. Επίσης, ο Joseph Louis Gay-Lussac προσδιόρισε ότι τα οξέα είναι χημικές ουσίες που εξουδετερώνουν τις βάσεις και ότι μπορούμε να περιγράψουμε μόνο αυτούς τους δύο τύπους ουσιών μεταξύ τους. Όρισε ότι τα οξέα διαλύονται στο νερό για να δημιουργήσουν κατιόντα υδρογόνου, ενώ οι βάσεις διαλύονται στο νερό για να σχηματίσουν ανιόντα υδροξειδίου.

Συνήθεις λύσεις περιλαμβάνουν οξέα και βάσεις. Εκτός από το νερό, σχεδόν όλα τα υγρά έχουν όξινες και βασικές ιδιότητες. Έχουν διακριτές ιδιότητες και μπορούν να εξουδετερωθούν για να σχηματίσουν H2O και οι φυσικές και χημικές ιδιότητες ορίζουν τα οξέα και τις βάσεις.

Επειδή τα ιόντα διαλύονται σε υδατικά διαλύματα, τα διαλύματα οξέων και βάσεων μπορούν να μεταφέρουν ηλεκτρισμό. Άρα τα οξέα και οι βάσεις είναι ηλεκτρολύτες. Τα ισχυρά οξέα και οι βάσεις δημιουργούν ισχυρούς ηλεκτρολύτες, ενώ τα αδύναμα οξέα και οι βάσεις παράγουν ασθενείς ηλεκτρολύτες, επηρεάζοντας την αγωγιμότητα.

Σχετικά με τον Robert Boyle

Ήταν Αγγλο-Ιρλανδός χημικός και φυσικός φιλόσοφος που γεννήθηκε στις 25 Ιανουαρίου 1627 στο Κάστρο Λίσμορ της Κομητείας Γουότερφορντ της Ιρλανδίας και πέθανε στο Λονδίνο στις 31 Δεκεμβρίου 1691. Richard Boyle, "Great Earl του Κορκ» (1566–1643), συνεργάστηκε με τον Ρόμπερτ Χουκ για περισσότερο από έναν αιώνα μετά το θάνατο του πατέρα του σε σημαντικές μελέτες για τις ιδιότητες των αερίων, ιδιαίτερα εκείνων που εκφράζονται στο νόμο του Μπόιλ (βλ. νόμους για τα αέρια). Στο The Skeptical Chymist (1661), επέκρινε την κατανόηση των τεσσάρων στοιχείων (γη, αέρας, φωτιά και νερό) από τον Αριστοτέλη, υποστηρίζοντας μια σωματική άποψη του θέματος που προήγγειλε τη σύγχρονη θεωρία των χημικών στοιχείων. Ήταν διάσημος επιστήμονας και ιδρυτής της Βασιλικής Εταιρείας του Λονδίνου.

Σημειώσεις του Robert Boyle

Ιδιότητες οξέων και βάσεων

• Τα οξέα διαβρώνονται.

• Τα οξέα έχουν ξινή γεύση.

• Τα οξέα προκαλούν ορισμένες φυτικές βαφές, όπως η λακκούβα, να αλλάζουν το χρώμα τους από μπλε σε κόκκινο.

• Τα οξέα γίνονται αλκαλικά όταν τα συνδυάζουμε με αλκάλια.

• Το οξύ προέρχεται από τη λατινική λέξη acidus, που σημαίνει "ξινό".

• Επειδή το οξικό οξύ είναι διαλυτό στο νερό, το ξύδι έχει ξινή γεύση. Λόγω του κιτρικού οξέος, ο χυμός λεμονιού έχει ξινή γεύση και άρωμα λόγω του γαλακτικού οξέος που σχηματίζεται όταν το γάλα χαλάει. Αποδίδουμε την ξινή μυρωδιά του σάπιου κρέατος και του βουτύρου σε ενώσεις όπως το βουτυρικό οξύ.

Ιδιότητες αλκαλίων

• Τα αλκάλια είναι ολισθηρά.

• Ο λάκκος μετατρέπεται από κόκκινο σε μπλε όταν έρχεται σε επαφή με αλκάλια.

• Με τους συνδυασμούς οξέων, τα αλκάλια γίνονται λιγότερο αλκαλικά.

• Ο Boyle ορίζει τα αλκάλια ως χημικές ουσίες που εξουδετερώνουν τα οξέα. Τα οξέα χάνουν την ξινίλα τους και την ικανότητά τους να διαλύουν τα μέταλλα όταν αναμειγνύονται με αλκάλια. Τα αλκάλια αντιστρέφουν ακόμη και την αλλαγή χρώματος όταν η λακκούβα έρχεται σε επαφή με ένα οξύ. Τα αλκάλια είναι βάσεις επειδή αποτελούν τη «βάση» για ορισμένα άλατα.

Παραδείγματα Robert Boyle

• Ένα αραιωμένο διάλυμα οξικού οξέος σε νερό δίνει στο ξύδι την ξινή του γεύση.

• Ο χυμός λεμονιού είναι ξινός λόγω του κιτρικού οξέος.

• Κατά τη διάρκεια της αλλοίωσης του γάλακτος, σχηματίζεται γαλακτικό οξύ.

• Η ξινή μυρωδιά του ταγγισμένου βουτύρου προέρχεται από το βουτυρικό οξύ που σχηματίζεται όταν το λίπος χαλάει.

Εξουδετέρωση

Οι εξισώσεις δείχνουν ότι τα οξέα απελευθερώνουν Η+ και οι βάσεις απελευθερώνουν OH-. Όταν συνδυάζουμε ένα οξύ και μια βάση, το ιόν Η+ συνδυάζεται με το ιόν ΟΗ- για να κάνει το H2O:

H+(aq)+OH-(aq)→H2O

Ένα οξύ που εξουδετερώνεται από μια βάση παράγει πάντα νερό και αλάτι, όπως φαίνεται παρακάτω:

HCl+NaOH→H2O+NaCl

Αν και οι θεωρίες του Arrhenius βοήθησαν να διευκρινιστούν οι θεμελιώδεις αρχές της χημείας οξέος/βάσης, έχουν περιορισμούς. Δεδομένου ότι η μαγειρική σόδα (NaHCO3) δεν περιέχει ιόντα υδροξειδίου, ο ορισμός του Arrhenius δεν εξηγεί πώς μπορεί να συμπεριφέρεται ως βάση.

Ο Δανός επιστήμονας Johannes Brnsted και ο Άγγλος Thomas Lowry εξέλιξαν τη θεωρία του Arrhenius το 1923 δημοσιεύοντας ανεξάρτητες αλλά παρόμοιες εργασίες. "Ο Bronsted-Lowry επέκτεινε την έννοια του Arrhenius για οξέα και βάσεις για να συμπεριλάβει ενώσεις ικανές να διασπούν ή να προσλαμβάνουν ιόντα υδρογόνου", σύμφωνα με τον Bronsted.

Οι ορισμοί Arrhenius και Bronsted-Lowry είναι παρόμοιοι:Τα οξέα μπορούν να συνεισφέρουν ιόντα υδρογόνου σε μια άλλη ουσία και τα οξέα δίνουν πρωτόνια επειδή ένα ιόν Η+ είναι απλώς ένα πρωτόνιο. Ωστόσο, ο ορισμός των βάσεων Bronsted διαφέρει ουσιαστικά από τον ορισμό του Arrhenius. Ένα βασικό, σε αντίθεση με ένα οξύ, μπορεί να δεχθεί ένα ιόν υδρογόνου. Επειδή μπορούν να δεχτούν ένα Η+ από οξύ και να δημιουργήσουν νερό, το NaOH και το ΚΟΗ είναι βάσεις. Ο ορισμός Bronsted-Lowry, από την άλλη πλευρά, εξηγεί γιατί μπορούμε να ταξινομήσουμε ουσίες που δεν περιέχουν OH- ως βάσεις. Ακολουθεί ένα παράδειγμα για το πώς (NaHCO3) μπορεί να δεχτεί το ιόν υδρογόνου από ένα οξύ:

HCl+NaHCO3→H2CO3+NaCl

Το ανθρακικό οξύ (H2CO3) αποσυντίθεται γρήγορα σε νερό και CO2, προκαλώντας λύση στη φυσαλίδα.

pH

Σύμφωνα με τον Bronsted-Lowry, τα οξέα και οι βάσεις σχετίζονται με τη συγκέντρωση ιόντων υδρογόνου. Τα οξέα αυξάνουν τη συγκέντρωση ιόντων υδρογόνου, ενώ οι βάσεις μειώνουν τη συγκέντρωσή τους (με την αποδοχή τους). Η συγκέντρωση ιόντων υδρογόνου σε μια ουσία επηρεάζει το αν είναι οξύ ή βάση.

Ο Sören Sörensen, ένας Δανός βιοχημικός, ανέπτυξε την κλίμακα pH το 1909 για να μετρήσει την οξύτητα. Ο ακόλουθος τύπος ορίζει την κλίμακα pH:

Για παράδειγμα, μια λύση με [H+] =1x 10-7 moles Το /λίτρο έχει pH 7. Το pH κυμαίνεται από 0 έως 14. Μπορούμε να ταξινομήσουμε από μηδέν έως επτά ουσίες ως οξέα στην περιοχή pH από μηδέν έως επτά. Εφόσον το pH και το [H+] σχετίζονται αντιστρόφως, το χαμηλότερο pH υποδηλώνει υψηλότερο [H+]. Οι βάσεις είναι ουσίες με pH πάνω από 7 και έως 14. Οι ουδέτερες ουσίες, όπως το καθαρό νερό, έχουν pH =7. 

Συμπέρασμα

Ο κόσμος γνώριζε από καιρό ότι ο χυμός λεμονιού, το ξύδι και πολλά άλλα τρόφιμα είναι ξινή. Μέχρι πρόσφατα, οι επιστήμονες ανακάλυψαν γιατί αυτά τα πράγματα έχουν ξινή γεύση:όλα είναι οξέα. Τον δέκατο έβδομο αιώνα, ο ερασιτέχνης Ιρλανδός χημικός και μυθιστοριογράφος Ρόμπερτ Μπόιλ ήταν ο πρώτος που ταξινόμησε τις ουσίες ως οξέα ή βάσεις (τα οποία ονόμασε βάσεις αλκάλια).

Τα οξέα διαβρώνουν τα μέταλλα, έχουν ξινή γεύση και κάνουν την λακκούβα κόκκινο όταν αναμειγνύονται με βάσεις. Όταν συνδυάζονται με οξέα, οι βάσεις γίνονται λιγότερο βασικές και πιο ολισθηρές. Θα χρειαστούν άλλα 200 χρόνια για το πρώτο λογικό άτομο να προτείνει τον ορισμό των οξέων και των βάσεων, παρά τις προσπάθειες του Boyle και άλλων να εξηγήσουν τη συμπεριφορά τους.

Σύμφωνα με τον Σουηδό επιστήμονα Svante Arrhenius στα τέλη του 1800, το νερό μπορεί να διαλύσει πολλές ουσίες διασπώντας τις σε καταστάσεις ιόντων. Τα οξέα, σύμφωνα με τον Arrhenius, είναι ενώσεις που περιέχουν υδρογόνο και μπορούν να διαλυθούν στο νερό και να απελευθερώσουν ιόντα υδρογόνου στο υδατικό διάλυμα.