9.1 Syrer og baser - definisjoner

Protonet som bytter eier

Du kjenner forskjellen på sitronsaft og såpe -- den ene er sur, den andre glatt og basisk. Men hva er det egentlig som skiller dem på molekylnivå? Svaret ligger i ett enkelt, bittelite partikkel: protonet, $\text{H}^+$. Etter Brønsted-Lowry-teorien handler hele syre-base-kjemien om protoner som vandrer.

Definisjonene er forbløffende enkle. En syre er et stoff som gir fra seg et proton -- en $\text{H}^+$-donor. En base er et stoff som tar imot et proton -- en $\text{H}^+$-akseptor. Når en syre møter en base, overføres et proton fra den ene til den andre, og denne protonoverføringen kaller vi protolyse:
$$\text{Syre}_1 + \text{Base}_2 \rightleftharpoons \text{Base}_1 + \text{Syre}_2$$

La oss se det i aksjon. Saltsyre i vann: $\text{HCl} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{Cl}^- + \text{H}_3\text{O}^+$. Her gir $\text{HCl}$ fra seg et proton -- den er syren. Vann tar imot det -- det er basen. Resultatet er $\text{Cl}^-$ (som kan ta imot et proton igjen) og oksoniumionet $\text{H}_3\text{O}^+$ (som kan gi fra seg et proton igjen). Det er nettopp $\text{H}_3\text{O}^+$ som gjør en løsning sur.

Konjugerte par -- to sider av samme sak

Legg merke til noe vakkert i protolysereaksjonen: når en syre har gitt fra seg sitt proton, sitter den igjen som noe som kan ta imot et proton -- altså en base. Vi kaller den den konjugerte basen:
$$\text{Syre} \xrightarrow{-\text{H}^+} \text{konjugert base}$$
Og motsatt: når en base har tatt imot et proton, blir den til noe som kan gi det fra seg igjen -- en konjugert syre:
$$\text{Base} \xrightarrow{+\text{H}^+} \text{konjugert syre}$$

Det avgjørende kjennetegnet er at et konjugert syre-base-par skiller seg med nøyaktig ett proton. Se på noen par: $\text{HCl}$ og $\text{Cl}^-$, $\text{H}_2\text{SO}_4$ og $\text{HSO}_4^-$, $\text{H}_3\text{O}^+$ og $\text{H}_2\text{O}$, $\text{NH}_4^+$ og $\text{NH}_3$, $\text{H}_2\text{O}$ og $\text{OH}^-$ -- alle skiller seg med ett $\text{H}^+$.

I hver protolysereaksjon finnes to slike par. Ta $\text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{NH}_4^+ + \text{OH}^-$. Her gir vann fra seg et proton (vann er syren) og blir til $\text{OH}^-$ (konjugert base), mens ammoniakk tar imot (basen) og blir til $\text{NH}_4^+$ (konjugert syre). De to parene er altså $\text{H}_2\text{O}/\text{OH}^-$ og $\text{NH}_3/\text{NH}_4^+$. På samme måte, i $\text{H}_2\text{SO}_4 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{HSO}_4^- + \text{H}_3\text{O}^+$, er parene $\text{H}_2\text{SO}_4/\text{HSO}_4^-$ og $\text{H}_2\text{O}/\text{H}_3\text{O}^+$.

Amfotere stoffer -- de som kan begge deler

Du la kanskje merke til noe rart: vann opptrådte som base når det reagerte med saltsyre, men som syre når det reagerte med ammoniakk. Vann kan altså spille begge roller! Stoffer som dette -- som både kan gi fra seg og ta imot et proton -- kaller vi amfotere.

Vann er det fremste eksempelet. Som base: $\text{HCl} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Cl}^- + \text{H}_3\text{O}^+$ (det tar imot et proton). Som syre: $\text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{NH}_4^+ + \text{OH}^-$ (det gir fra seg et proton). Hva vann gjør, avhenger helt av hva det møter.

Mange andre stoffer er også amfotere, særlig ioner som har ett proton igjen å gi. Hydrogenkarbonat $\text{HCO}_3^-$ er ett: som base tar det imot et proton og blir $\text{H}_2\text{CO}_3$, og som syre gir det fra seg sitt og blir $\text{CO}_3^{2-}$. Vil vi vise at $\text{HCO}_3^-$ er amfotert, kan vi skrive begge reaksjoner: som syre $\text{HCO}_3^- + \text{OH}^- \rightarrow \text{CO}_3^{2-} + \text{H}_2\text{O}$, og som base $\text{HCO}_3^- + \text{H}_3\text{O}^+ \rightarrow \text{H}_2\text{CO}_3 + \text{H}_2\text{O}$. Andre eksempler er hydrogensulfat $\text{HSO}_4^-$ og dihydrogenfosfat $\text{H}_2\text{PO}_4^-$ -- alle ioner som befinner seg på halvveien og kan vippe begge veier.

Sterke og svake -- spørsmålet om hvor mange

Ikke alle syrer er like sure. Forskjellen handler om hvor fullstendig de gir fra seg protonene sine. En sterk syre protolyserer fullstendig i vann -- 100 % av molekylene gir fra seg protonet sitt. Saltsyre er et eksempel: $\text{HCl} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Cl}^- + \text{H}_3\text{O}^+$ (100 %), og vi skriver den med enkel pil fordi reaksjonen går helt til ende. De vanligste sterke syrene er $\text{HCl}$, $\text{HNO}_3$, $\text{H}_2\text{SO}_4$ (første proton), $\text{HBr}$, $\text{HI}$ og $\text{HClO}_4$.

En svak syre protolyserer derimot bare delvis -- ofte under 5 %. Eddiksyre er typisk: $\text{CH}_3\text{COOH} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COO}^- + \text{H}_3\text{O}^+$, der bare omtrent 1,3 % av molekylene har gitt fra seg protonet. Vi bruker dobbeltpil fordi det er en likevekt. Andre svake syrer er karbonsyre $\text{H}_2\text{CO}_3$, fosforsyre $\text{H}_3\text{PO}_4$ og fluorsyre $\text{HF}$.

Det samme gjelder baser. Sterke baser som $\text{NaOH}$, $\text{KOH}$ og $\text{Ba(OH)}_2$ løser seg fullstendig: $\text{NaOH} \rightarrow \text{Na}^+ + \text{OH}^-$ (100 %). Svake baser som ammoniakk $\text{NH}_3$ og metylamin $\text{CH}_3\text{NH}_2$ protolyserer bare delvis. Hva betyr dette i praksis? Sammenlign 0,1 M saltsyre og 0,1 M eddiksyre. Saltsyren protolyserer fullt, så $[\text{H}_3\text{O}^+] \approx 0{,}1$ M. Eddiksyren protolyserer bare 1,3 %, så $[\text{H}_3\text{O}^+] \approx 0{,}0013$ M. Selv om begge har samme konsentrasjon, er saltsyren mye surere. Og en nyttig huskeregel: en sterk syre har en svak konjugert base, og en sterk base har en svak konjugert syre.

Oppsummering

Etter Brønsted-Lowry-teorien er en syre en protondonor (gir fra seg $\text{H}^+$) og en base en protonakseptor (tar imot $\text{H}^+$). I en protolyse overføres et proton fra syre til base. Hver syre har en konjugert base og hver base en konjugert syre, og et konjugert par skiller seg med nøyaktig ett proton.

Amfotere stoffer som vann, $\text{HCO}_3^-$ og $\text{HSO}_4^-$ kan opptre både som syre og base, avhengig av hva de møter. Til slutt skiller vi mellom sterke syrer/baser, som protolyserer fullstendig (HCl, HNO₃, NaOH), og svake, som bare gjør det delvis (eddiksyre, $\text{NH}_3$). Derfor er en sterk syre mye surere enn en svak ved samme konsentrasjon -- og en sterk syre har alltid en svak konjugert base.