Аррениусын хүчил ба сууриуд: Химийн үндсийг нээн илрүүлэх нь
Химийн шинжлэх ухаанд хүчил ба суурийн тухай ойлголтууд нь лабораторийн болон өдөр тутмын амьдралд янз бүрийн химийн урвалыг ойлгох боломжийг олгодог чухал үндэс суурь болдог. Хүчил ба суурийг ангилах хамгийн эртний бөгөөд хамгийн үндсэн онолуудын нэгийг 19-р зууны сүүлчээр Сванте Аррениус нэвтрүүлсэн. Аррениусын хүчил ба суурийн онол гэгддэг энэхүү онолыг хүчил ба суурийн ионы зан төлөвт үндэслэн тэдгээрийн химийн шинж чанарын талаарх үндсэн ойлголтыг өгдөг. Энэ нийтлэлд бид энэхүү онолын үндсэн ойлголтууд, түүний үр дагавар, орчин үеийн ертөнцөд хамаарал, хэрэглээг судлах болно.
Аррениусын онолын үндсэн ойлголтууд
Шведийн химич Сванте Аррениус электролитийн химийн чиглэлээр хийсэн бүтээлээрээ 1903 онд химийн чиглэлээр Нобелийн шагнал хүртжээ. Түүний хүчил ба суурийн онолд оруулсан гол хувь нэмэр нь усан уусмалд диссоциаци хийх чадварт нь үндэслэн нэгдлүүдийг тодорхойлж, ангилсан явдал байв.
Аррениусын хүчиллэг суурийн онолын дагуу:
1. Аррениусын хүчил: Хүчил гэдэг нь усанд уусахад устөрөгчийн ион (H+) үүсгэдэг нэгдэл юм. Аррениусын хүчлүүдийн нийтлэг жишээнд усанд H+ ба хлоридын ион (Cl-) болж задардаг давсны хүчил (HCl) орно.
HCl → H+ + Cl-
2. Аррениусын суурь: Суурь гэдэг нь усанд ууссан үед гидроксидын ион (OH-) үүсгэдэг нэгдэл юм. Аррениусын суурийн нийтлэг жишээнд усанд Na+ ба OH- болж задардаг натрийн гидроксид (NaOH) орно.
NaOH → Na+ + OH-
Энэхүү онол нь хүчил ба суурийн усан дахь диссоциацийн бүтээгдэхүүн дээр үндэслэн тэдгээрийн шинж чанарыг тодорхойлж, ойлгох энгийн боловч хүчирхэг үндэс суурийг бий болгодог.
Саармагжуулах урвал
Аррениусын хүчил-суурийн онолоос гарч ирсэн чухал ойлголтуудын нэг бол хүчил ба суурь нь урвалд орж ус ба давс үүсгэдэг саармагжуулах урвал юм. Ерөнхийдөө саармагжуулах урвалыг дараах байдлаар илэрхийлж болно.
H+ (хүчилээс) + OH- (суурьаас) → H2O (ус)
Жишээлбэл, давсны хүчил (HCl) ба натрийн гидроксид (NaOH)-ийн хоорондох урвал нь ус ба натрийн хлорид (NaCl) үүсгэдэг:
HCl + NaOH → H2O + NaCl
Саармагжуулах урвалууд нь олон үйлдвэрлэлийн химийн процессууд, түүнчлэн амьд организмын янз бүрийн биологийн болон физиологийн урвалуудын үндэс суурь болдог.
Аррениусын онолын хязгаарлалтууд
Аррениусын хүчил-суурийн онол нь үндсэн бөгөөд маш хэрэгтэй ойлголтуудыг өгдөг боловч хэд хэдэн хязгаарлалттай. Нэг гол хязгаарлалт нь зөвхөн усан уусмал дахь урвалд хамаарах бөгөөд усан бус уусгагч эсвэл хийн төлөвт байгаа хүчил ба суурийн шинж чанарыг тайлбарлаж чадахгүй явдал юм.
Жишээлбэл, аммиак (NH3) нь усанд шууд OH- үүсгэдэггүй тул Аррениусын суурийн тодорхойлолтод тохирохгүй. Гэсэн хэдий ч аммиак нь H+ ионуудыг хүлээн авч аммонийн ион (NH4+) үүсгэж чаддаг тул суурь болж чаддаг гэдгийг бид мэднэ:
NH3 + H2O → NH4+ + OH-
Аррениусын онол нь мөн амфотерик шинж чанартай зарим нэгдлүүдийн, тухайлбал ус (H2O) зэрэг хүчил ба суурийн аль алиных нь үүрэг гүйцэтгэж чадах нэгдлүүдийн зан төлөвийг тайлбарлаж чадахгүй.
Хүчил-суурь онолын хөгжил
Аррениусын хүчил-суурийн онолын хязгаарлалтыг даван туулахын тулд эрдэмтэд хожим нь илүү ерөнхий бөгөөд хүртээмжтэй онолыг боловсруулсан. Аррениусын хүчил-суурийн онолын хөгжилд гарч ирсэн хоёр үндсэн онол бол Брёнстед-Лоуригийн онол ба Льюисийн онол юм.
1. Брёнстед-Лоуригийн онол: 1923 онд Йоханнес Николаус Брёнстед, Томас Мартин Лоури нар нэвтрүүлсэн энэхүү онол нь хүчилийг протон (H+) донор, суурийг протон хүлээн авагч гэж тодорхойлдог. Энэ онол нь зөвхөн усан уусмалаар хязгаарлагдахгүй тул илүү өргөн хүрээтэй юм. Жишээлбэл:
– Хүчил: HCl (H+ донор)
– Суурь: NH3 (H+ рецептор)
Урвал: HCl + NH3 → NH4+ + Cl-
2. Льюисийн онол: Гилберт Н. Льюис 1923 онд хүчил-суурь онолыг илүү ерөнхийд нь дэвшүүлж, хүчлийг электрон хос хүлээн авагч, суурийг электрон хос донор гэж тодорхойлсон. Энэ тодорхойлолт нь Аррениус эсвэл Брёнстед-Лоуригийн онолоор тайлбарлагдаагүй бусад олон химийн урвалыг хамардаг. Жишээлбэл:
– Хүчил: BF3 (электрон хосын дутагдлаас үүдэлтэй электрон хосын хүлээн авагч)
– Суурь: NH3 (чөлөөт электрон хостой тул электрон хосын донор)
Урвал: BF3 + NH3 → F3B-NH3
Эдгээр онолууд нь протон ба электрон хосын шилжилтийг онцолж, хүчил ба суурийн зан төлөвийн талаар илүү цогц ойлголтыг өгдөг.
Аррениусын хүчил-суурийн онолыг хэрэглэх нь
Хязгаарлагдмал байдлаас үл хамааран Аррениусын хүчил-суурь онолын үндсэн зарчмууд нь олон практик болон үйлдвэрлэлийн хэрэглээнд хамааралтай бөгөөд чухал хэвээр байна. Энд зарим жишээг дурдъя:
1. Химийн үйлдвэр: Угаалгын нунтаг, бордоо болон бусад үйлдвэрлэлийн химийн бодис зэрэг өдөр тутмын бүтээгдэхүүн үйлдвэрлэхэд хүчил ба суурийг тодорхойлох, ашиглах нь үндсэн үүрэг гүйцэтгэдэг.
2. Химийн шинжилгээ: Энэ онол нь хүчил-суурь титрлэхэд маш чухал бөгөөд хүчил эсвэл суурийн уусмалын концентрацийг тодорхойлоход ашигладаг тоон шинжилгээний арга юм.
3. Биологи ба анагаах ухаан: Хүний биед хүчил ба шүлтүүд хэрхэн харилцан үйлчилдэгийг ойлгох нь биохими, физиологийн салбарт, тухайлбал цусны рН-ийг тогтвортой байлгахад чухал үүрэг гүйцэтгэдэг.
4. Байгаль орчин: Ус, хөрсний рН-ийг хянах нь экосистемийн тэнцвэрийг хадгалах, амьд организмын эрүүл мэндийг хадгалахад маш чухал юм.
5. Ус цэвэршүүлэх: Энэ онолыг бохир ус болон ундны ус цэвэршүүлэхэд рН аюулгүй хүрээнд байлгахын тулд ашигладаг.
Дүгнэлт
Аррениусын хүчил-суурь онол нь хамгийн үндсэн химийн онолуудын нэг байж болох ч энэ нь хамааралтай хэвээр байгаа бөгөөд хүчил-суурь урвалыг цаашид судлах бат бөх суурийг тавьдаг. Хязгаарлагдмал байдлаас үл хамааран Аррениусын үзэл баримтлал нь Брёнстед-Лоури, Льюис зэрэг бусад хүчил-суурь онолуудыг хөгжүүлэхэд чухал алхам болсон юм. Эдгээр үндсэн зарчмуудыг ойлгосноор бид өдөр бүр бидний эргэн тойронд болж буй химийн урвалын нарийн төвөгтэй байдал, гоо үзэсгэлэнг илүү хялбархан үнэлж чадна.
