Lähdekoodi sivulle Happo-emäsreaktio

[[Tiedosto:Arrhenius2.jpg|upright|pienoiskuva|[[Svante Arrhenius]] oli ensimmäinen, joka loi ensimmäisen modernin teorian happo-emäsreaktioille.]]
'''Happo-emäsreaktio''' eli '''protolyysi''' on [[kemiallinen reaktio]], joka tapahtuu [[happo|hapon]] ja [[emäs|emäksen]] välillä. Yleensä sillä tarkoitetaan reaktiota, jossa happo luovuttaa vetyionin eli [[Protoni|protonin]] ja emäs vastaanottaa sen.

Esimerkiksi [[suolahappo]] protolysoituu [[Vesiliuos|vesiliuoksessa]] seuraavasti luovuttaen [[Vesimolekyyli|vesimolekyylille]] protonin, jolloin syntyy positiivinen [[oksoniumioni]] ja negatiivinen [[kloridi]]-ioni:

:: HCl (l) + H<sub>2</sub>O (l) <math>\rightarrow</math> H<sub>3</sub>O<sup>+</sup> (aq)+ Cl<sup>-</sup> (aq)

[[Reaktioyhtälö|Reaktioyhtälön]] vasemmalla puolella happona toimii HCl ja emäksenä vesi. Reaktioyhtälön oikealla puolella taas oksoniumioni on happo ja kloridi-ioni emäs (vetykloridin konjugaattiemäs).

Kaikki hapot eivät protolysoidu yhtä helposti. [[heikko happo|Heikot]] ja [[vahva happo|vahvat hapot]] erotetaankin sen perusteella, kuinka helposti ne luovuttavat protonin emäkselle. Ainoa täydellisesti protolysoituva happo on [[perkloorihappo]] (HClO<sub>4</sub>). Käytännössä vahvojen happojen, kuten suolahapon (HCl) ja [[typpihappo|typpihapon]] (HNO<sub>3</sub>), katsotaan kuitenkin protolysoituvan vesiliuoksissaan täydellisesti.

== Happo-emästeoriat ==

Hapoille ja emäksille on olemassa useita, eri teorioihin liittyviä määritelmiä, jotka täydentävät toisiaan. Keskeisin näistä on '''Brønstedin ([[Johannes Brønsted|Brønsted]]&#x2013;Lowry) teoria''', vanhin yhä käytössä olevista '''Arrheniuksen teoria''' ja niitä laajentaa '''Lewisin teoria.'''

=== Ennen Arrheniusta ===

Jo keskiajan [[alkemia|alkemistit]] tunnistivat hapot erityiseksi aineryhmäksi niille tyypillisen happaman maun perusteella. Vuonna 1683 [[Robert Boyle]] määritteli hapot aineiksi, joilla on hapan maku ja joiden vaikutuksesta [[lakmus]] muuttuu punaiseksi.<ref name=Ensyklopedia>{{kirjaviite | Nimeke = Otavan suuri ensyklopedia, 2. osa (Cid–Harvey) | Sivu = 1605 | Luku = Hapot ja emäkset | Julkaisija = Otava | Vuosi = 1977 | Tunniste = | Isbn = 951-1-04170-3}}</ref> Samalla hän nimitti [[alkali|alkaleiksi]] aineet, jotka palauttavat lakmukselle sen sinisen värin.

Happo-emäs-reaktion käsitteen esitti ensimmäisenä vuonna 1754  [[Guillaume-François Rouelle]], joka myös otti ensimmäisenä käyttöön [[emäs]]tä tarkoittavan sanan ''base''{{refn|group=note|''''Base'' on "perustaa" tarkoittava ranskan sana, joka on lainattu myös englantiin; esiintyy nykyisin myös ''emästä'' tarkoittavana kemian terminä sekä ranskassa että englannissa.}}. Sillä hän tarkoitti aineita, jotka reagoivat [[happo]]jen kanssa muodostaen kiinteitä aineita, [[suola|suoloja]].<ref name=Ensyklopedia /> Emäksille tyypillistä on myös kitkerä maku.<ref>{{lehtiviite | Tekijä = William B. Jensen | Otsikko = The origin of the term "base"| Julkaisu = The Journal of Chemical Education | Vuosi = 2006 | Vuosikerta = 83 | Numero = 8 | Sivu = 1130 | Doi = 10.1021/ed083p1130 | bibcode = 2006JChEd..83.1130J }}</ref>

====Lavoisier'n happoteoria====
Ensimmäisen tieteellisen määritelmän hapoille ja emäksille esitti [[Antoine Laurent Lavoisier|Lavoisier]] noin vuonna 1776. Koska hän tunsi [[vahva happo|vahvoista hapoista]] lähinnä vain eräät [[happihappo|happihapot]] kuten [[typpihappo|typpihapon]] (HNO<sub>3</sub>) ja [[rikkihappo|rikkihapon]] (H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>), joissa nykyisin tiedetään olevan korkean [[hapetusaste]]en saanut keskusatomi happiatomien ympäröimänä, kun taas [[vetyhalidi]]en kuten [[vetykloridi]]n ([[suolahappo]], HCl), [[vetybromidi]]n (HBr) ja [[vetyjodidi]]n (HI) koostumusta hän ei ollut onnistunut selvittämään, hän päätyi käsitykseen, että kaikki hapot sisältävät [[happi|happea]].<ref name=IsoTieto>{{kirjaviite | Nimeke = Iso tietosanakirja, 4. osa (Gottlund–Ihmels) | Sivu = 402 | Luku = Happi | Julkaisija = Otava | Vuosi = 1932}}</ref> Itse asiassa hän antoi hapelle nimenkin, ''oxgygenium'', jonka hän muodosti [[kreikan kieli|kreikan]] sanoista οξυς (''oxys'', ''hapan'' tai ''terävä'') ja γεινομαι (''geinomai'', ''synnyttää''), siis "hapon synnyttäjä". Tämä nimi on yhä sellaisenaan tai vain vähän muuntuneena käytössä monissa kielissä, ja myös suomen kielen sana ''happi'' viittaa tämän alkuaineen esiintymiseen hapoissa.<ref name=IsoTieto />

Lavoisier'n käsitys oli vallalla yli 30 vuotta, kunnes [[Humphry Davy]] eräässä vuonna 1810 julkaisemassaan artikkelissa ja sen jälkeen pitämillään luennoilla osoitti, että [[rikkivety]] (H<sub>2</sub>S), [[telluurivety]] (H<sub>2</sub>Te) ja vetyhalidit eivät happoluonteestaan huolimatta sisällä happea. Davy ei kuitenkaan onnistunut kehittämään uutta teoriaa, vaan päätyi toteamukseen, ettei happamuus ei riipu mistään tietystä alkuaineesta, vaan se on pelkästään yhdisteiden ominaisuus.<ref name=review1940>{{lehtiviite | Tekijä = Norris F. Hall | Nimeke =  Systems of Acids and Bases|last=Hall | Julkaisu = Journal of Chemical Education | Ajankohta = maaliskuu 1940 | Vuosikerta = 17 | Numero = 3 | Doi = 10.1021/ed017p124 | Sivut = 124–128|bibcode= 1940JChEd..17..124H}}</ref> [[Jöns Jacob Berzelius]] teki jyrkän eron [[happihappo|happi]]- ja [[vetyhappo]]jen välillä<ref name=TSK>{{kirjaviite | Tekijä = Edvard Hjelt | Nimeke = Tietosanakirja, 3. osa (Haggard–Kaiverrus) | Sivu = 118 | Luku = Hapot | Julkaisija = Tietosanakirja Oy | Vuosi = 1911 | www = https://runeberg.org/tieto/3/0073.html}}</ref> ja selitti, että happihapot ovat [[epämetalli]]en, emäkset taas [[metalli]]en [[oksidi|oksideja]].

====Liebigin happojen vetyteoria ====
Vuonna 1838 [[Justus von Liebig]] esitti, että hapot ovat [[vety]]ä sisältäviä yhdisteitä, joiden vety voidaan korvata metalleilla.<ref>{{kirjaviite | Tekijä = G. L. Messler, D. A. Tarr | Nimeke = Inorganic Chemistry | Sivu = 156, 166 | Julkaisija = | Vuosi = 1991}}</ref> Tähän käsitykseen hän päätyi tutkittuaan tarkoin [[orgaaninen happo|orgaanisia happoja]]. Toisin sanoen vety, ei happi, on kaikille hapoille yhteinen ainesosa. Tästä kuitenkin seurasi, että ns. happamet oksidit kuten [[hiilidioksidi]] (CO<sub>2</sub>), [[rikkidioksidi]] (SO<sub>2</sub>) ja [[fosforipentoksidi]] (P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>), eivät sellaisenaan ole happoja, joina Lavoisier oli niitä pitänyt<ref name=TSK />, vaan ne muodostavat happoja vasta reagoidessaan veden kanssa. Ne ovat siis happojen [[anhydridi|anhydridejä]]<ref name=TSK />: esimerkiksi hiilidioksidi on [[hiilihappo|hiilihapon]] (H<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>) anhydridi, joka reagoi veden kanssa seuraavasti: 
CO<sub>2</sub> + H<sub>2</sub>O → H<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>.

Vaikka Liebigin määritelmä oli puhtaasti empiirinen, se oli vallitsevana lähes 50 vuotta, kunnes Arrheniuksen määritelmä tuli tunnetuksi.<ref name="liebig_2">{{kirjaviite | Tekijä = H. L. Finston, A. C. Rychtman | Nimeke = A New View of Current Acid-Base Theories | Sivu = 140–146 | Julkaisija = John Wiley & Sons | Julkaisupaikka = New York | Vuosi = 1983}}</ref>

===Arrheniuksen teoria ===
[[Tiedosto:Arrhenius2.jpg|thumb|130px|[[Svante Arrhenius]]]]
[[Svante Arrhenius]] esitti vuonna 1884 [[elektrolyytti]]en [[dissosiaatio (kemia)|dissosiaatioteorian]], johon liittyi myös uusi happojen ja emästen määritelmä. Teorian mukaan hapot, emäkset ja [[suola]]t jakautuvat vesiliuoksissa positiivisesti ja negatiivisesti sähköisiksi [[ioni|ioneiksi]] siten, että positiivisena ionina on [[metalli]] tai [[vety]], negatiivisena [[hydroksidi]]ryhmä (OH<sup>-</sup>) tai [[happotähde]].<ref>{{kirjaviite | Tekijä = Yrjö Karilas | Nimeke = Pikku jättiläinen | Sivu = 748 | Luku = Kemia: Kemiallisia lakeja  | Julkaisija = WSOY | Vuosi = 1964}}</ref>

Jo 1800-luvun alussa tunnettiin [[elektrolyysi]], ilmiö, jossa eräät nestemäiset tai liuenneet aineet, ''elektrolyytit'', hajoavat kemiallisesti niiden läpi johdetun [[sähkövirta|sähkövirran]] vaikutuksesta. Jo ennen Arrheniusta oli oletettu, että sähkövirta hajottaa tällaisten aineiden molekyylit positiivisesti ja negatiivisesti sähköisiksi [[ioni|ioneiksi]], jotka sitten vaeltavat [[elektrodi|elektrodeihin]].<ref name=Hudson>{{kirjaviite | Tekijä = John Hudson | Nimeke = Suurin tiede: Kemian historia | Sivut = 325–329 | Luku = Liuosten kemia | Suomentaja = Kimmo Pietiläinen | Julkaisija = Art House | Vuosi = 1995 | Tunniste = | Isbn = 951-8-84171-3}}</ref>  Uutta Arrheniuksen teoriassa oli se, että elektrolyytit ovat liuoksissa ainakin osittain ioneina silloinkin, kun sähkövirtaa ei kulje<ref name=Hudson /> ja että juuri happoliuoksissa esiintyvät vetyionit ja vastaavasti emästen liuoksissa esiintyvät hydroksidi-ionit aiheuttavat toisaalta kaikille hapoille, toisaalta kaikille emäksille yhteiset ominaisuudet.<ref name=IsoTieto2>{{kirjaviite | Nimeke = Iso tietosanakirja, 4. osa (Gottlund–Ihmels) | Sivu = 397 | Luku = Hapot | Julkaisija = Otava | Vuosi = 1932}}</ref>

Arrheniuksen teorian mukaan happo on aine, joka muodostaa vesiliuoksessa vetyioneja H<sup>+</sup>, kun taas emäs on [[aine]], joka muodostaa vesiliuoksessa [[Hydroksidi|hydroksidi-ioneja]] OH<sup>&#x2212;</sup>. Tämän teorian mukaan emäksiä ovat varsinkin [[Alkalimetallit|alkalimetallien]] ja [[Maa-alkalimetallit|maa-alkalimetallien]] vesiliukoiset [[Hydroksidi|hydroksidit]] kuten [[natriumhydroksidi]] (NaOH).  Teorian mukaan mukaan hapot ja emäkset reagoivat keskenään niin, että hapon vetyioni ja emäksen hydroksidi-ioni yhdistyvät vesimolekyyliksi:
: H<sup>+</sup> + OH<sup>-</sup> <math>\rightarrow</math> H<sub>2</sub>O.

Samalla hapossa oleva negatiivinen [[happotähde]]ioni ja emäksessä oleva positiivinen ioni, tavallisimmin metalli-ioni muodostavat [[suola]]n. Suola voi laadustaan riippuen saostua tai jäädä liuenneena veteen, josta se voidaan kiteyttää haihduttamalla liuos. Esimerkiksi [[suolahappo|suolahapon]] ja [[natriumhydroksidi]]n välinen reaktio, jossa syntyy [[natriumkloridi]]a eli ruokasuolaa ja joka aikaisemmin olisi kirjoitettu:
: HCl + NaCl <math>\rightarrow</math> NaCl + H<sup>2</sup>O
voitiin nyt kirjoittaa muotoon
: H<sup>+</sup> + Cl<sup>-</sup> + Na<sup>+</sup> + OH<sup>-</sup> <math>\rightarrow</math> Na<sup>+</sup> + Cl<sup>-</sup> + H<sub>2</sub>O
tai lyhemmin
: H<sup>+</sup> + OH<sup>-</sup> <math>\rightarrow</math> H<sub>2</sub>O.

Tätä hapon ja emäksen välistä reaktiota sanotaan [[neutraloituminen|neutraloitumiseksi]]. Teoriastaan Arrhenius sai [[Nobelin fysiikanpalkinto|Nobelin fysiikanpalkinnon]] vuonna 1903.

Myöhemmin kuitenkin ilmeni, että happoliuoksissa vetyionit (H<sup>+</sup>) eivät esiinny vapaina vaan ne sitoutuvat vesimolekyyleihin muodostaen [[oksonium]]ioneja (H<sub>3</sub>O<sup>+</sup>).<ref name=IsoTieto2 /><!--Tämä tietosanakirja-artikkeli vuodelta 1932 on muutoin vielä täysin Arrheniuksen kannalla eikä edes mainitse Brønstedin jo 9 vuotta aikaisemmin teoriaa, mutta tämän seikan kylläkin.-->

[[Ammoniakki|Ammoniakin]] (NH<sub>3</sub>) vesiliuoksen emäksisyyden selittämiseksi Arrheniuksen teoriassa oletettiin, että osa ammoniakista reagoi veden kanssa muodostaen [[ammoniumhydroksidi]]a (NH<sub>4</sub>OH), joka sitten jakautuu muiden emästen tavoin NH<sub>4</sub><sup>+</sup>- ja OH<sup>-</sup>-ioneiksi. Ammoniumhydroksidi oli kuitenkin pelkästään hypoteettinen yhdiste, jota ei sellaisenaan ole voitu eristää, vaikka tunnetaankin useita suoloja, joissa [[ammonium]]ioni NH<sub>4</sub><sup>+</sup> on positiivisena ionina.<ref name=Hudson />

=== Brønstedin ja Lowryn teoria ===

Arrheniuksen teoria koskee vain vesiliuoksia. Teorian mukaisille happo-emäs-reaktiolle analogisia reaktioita esiintyy kuitenkin myös muissa liuottimissa. Tämän vuoksi [[Johannes Brønsted|Brønsted]] ja Lowry vuonna 1923 toisistaan riippumatta esittivät hapoille ja emäksille uudet määritelmät.<ref name=Ensyklopedia />

'''[[Johannes Brønsted|Brønsted]]&#x2013;Lowryn happo-emästeorian''' mukaan happo on aine, joka luovuttaa vetyionin H<sup>+</sup> eli [[Protoni#Protoni kemiassa||protonin]], kun taas emäs on aine, joka vastaanottaa protonin. Emäksellä on [[vapaa elektronipari]], jolla se voi sitoa protonin.<ref>{{Verkkoviite|Osoite=http://goldbook.iupac.org/B00745.html|Nimeke=Brønsted base|Tekijä=|Julkaisu=IUPAC GolBook|Julkaisupaikka=|Ajankohta=|Julkaisija=|Tiedostomuoto=|Selite=|Viitattu=1.7.2013|Kieli={{en}}}}</ref> Brønsted&#x2013;Lowryn [[Tieteellinen teoria|teoriaa]] voidaan sellaisenaan soveltaa myös muihin kuin vesiliuoksiin.

Brønsted&#x2013;Lowryn reaktio on protoninsiirtoreaktio, joka päättyy tasapainoon. [[Tasapainovakio]]n arvo kuvaa hapon ja emäksen vahvuutta, ja sen avulla määritellään kunkin hapon [[happovakio]] ja emäksen [[emäsvakio]].

Brønsted&#x2013;Lowryn teoriassa ei metallihydroksideja, kuten NaOH, sellaisenaan pidetä emäksenä, vaan ainoastaan niissä oleva [[hydroksidi]]-ioni (OH<sup>&#x2212;</sup>) on emäs.<ref name=KemiaI>{{kirjaviite | Tekijä = | Nimeke = Kemia 1 | Sivut = 101–102 | Luku = Eräitä happoihin ja emäksiin liittyviä käsitteitä | Julkaisija = WSOY | Vuosi = 1968}}</ref> Toisaalta tämän teorian mukaan [[vesi]]kin on sekä happo että emäs, joskin kumpanakin hyvin heikko.<ref name=KemiaI />

[[Tiedosto:Brønsted–Lowryn happo-emäsreaktio 2.png|alt=|pienoiskuva|300x300px|Brønsted-Lowry happo-emäsreaktio]]
Kun emäs (B:) vastaanottaa protonin, syntyy sitä vastaava konjugaattihappo (BH) ja alkuperäisestä haposta (HA) jää jäljelle konjugaattiemäs (A:<sup>-</sup>).  Esimerkiksi hydroksidi-ionia (OH<sup>&#x2212;</sup>) vastaava konjugoitunut happo on vesi (H<sub>2</sub>O), kun taas [[Ammoniakki|ammoniakkia]] (NH<sub>3</sub>) vastaava konjugoitunut happo on [[Ammonium|ammoniumioni]] (NH<sub>4</sub><sup>+</sup>).  Esimerkiksi [[suolahappo|suolahapon]] ja veden välinen reaktio tapahtuu seuraavasti:
: H<sub>2</sub>O + HCl <math>\rightarrow</math> H<sub>3</sub>O<sup>+</sup> +  Cl<sup>-</sup>,
ammoniakin ja veden välinen reaktio taas seuraavasti:
: NH<sub>3</sub> + H<sub>2</sub>O <math>\rightarrow</math> NH<sub>4</sub><sup>+</sup> + OH<sup>-</sup>.

Edellisessä reaktiossa vesi toimii emäksenä vastaanottaen protonin suolahapolta, jälkimmäisessä taas happona luovuttaen protonin ammoniakille.

=== Lewisin teoria ===
[[Tiedosto:Lewisin happo-emästeoria.png|pienoiskuva|300x300px|Reaktio, joka kuvaa Lewisin teorian määritelmää haposta (A<sup>+</sup>) ja emäksestä (B:<sup>-</sup>).]][[Tiedosto:Brønsted–Lowryn happoesimerkki 3.png|alt=|pienoiskuva|300x300px|BF<sub>3</sub> on Lewisin happo, joka voi ottaa vastaan elektroniparin Lewisin emäkseltä, tässä dimetyylieetteriltä.]]'''Lewisin happo-emäs-teoria''' [[Määritelmä|määrittelee]] happo ja emäs -[[Käsite|käsitteet]] Brønsted&#x2013;Lowryn teoriaa laajemmin. Lewisin emäs (B:<sup>-</sup>) on yhdiste, joka voi luovuttaa elektroniparin<ref>{{Verkkoviite|Osoite=http://goldbook.iupac.org/L03511.html|Nimeke=Lewis base|Tekijä=|Julkaisu=IUPAC GolBook|Julkaisupaikka=|Ajankohta=|Julkaisija=|Tiedostomuoto=|Selite=|Viitattu=1.7.2013|Kieli={{en}}}}</ref>. Vastakohtana Lewisin happo (A<sup>+</sup>) on yhdiste, joka kykenee vastaanottamaan [[Elektronipari|elektroniparin]]. Esim. vetykloridin protoni (H<sup>+</sup>) on Lewisin happo, koska se vastaanottaa elektroniparin tyhjälle 1s orbitaalille reagoidessaan emäksen (esim. veden) kanssa.  Yleensä termiä ''Lewis-emäs'' käytetään vain niistä Lewisin teorian mukaisista emäksistä, jotka eivät ole Brønsted-emäksiä, kuten [[Eetterit|eettereistä]]. Molekyyliä tai ionia, joka luovuttaa vapaan elektroniparin uuden kovalenttisen sidoksen muodostamiseksi, kutsutaan [[Nukleofiili|nukleofiiliksi]]. Nukleofiili on siis sama kuin Lewisin emäs. Vastaavasti molekyyli tai ionia, joka vastaanottaa elektroniparin uuden kovalenttisen sidoksen muodostamiseksi, kutsutaan [[Elektrofiili|elektrofiiliksi]]. Elektrofiili on siis sama kuin Lewisin happo.<ref>{{Verkkoviite|osoite=http://www.chem.ucla.edu/~harding/tutorials/elec_nuc/elec_nuc.html|nimeke=Electrophiles and Nucleophiles|tekijä=|julkaisu=|ajankohta=|julkaisija=|viitattu=|arkisto=https://web.archive.org/web/20190218041618/http://www.chem.ucla.edu/~harding/tutorials/elec_nuc/elec_nuc.html|arkistoitu=18.2.2019}}</ref> Lewisin määritelmässä mitä tahansa atomia, jolla on positiivinen varaus, osittainen positiivinen varaus tai vajaa valenssikuori, pidetään Lewisin happona. Siten esimerkiksi metalli-ionit, kuten Zn<sup>2+</sup>, Ca<sup>2+</sup> ja Mg<sup>2+</sup>, ovat Lewisin happoja. Myös polaarisissa sidoksissa olevat atomit voivat olla Lewisin happoja tai emäksiä. Esimerkiksi karbonyyliryhmässä (C=O) oleva hiili on Lewisin happo. Myös kolmannen ryhmän alkuaineet yhdisteissä, joissa on vajaa oktetti, esimerkiksi booritrifluoridin (BF<sub>3</sub>) booriatomi, on Lewisin happo. Booritrifluoridi voi ottaa vastaan elektroniparin, jolloin reaktiossa syntyy koordinaatiosidos (kovalenttisen sidoksen erikoismuoto), jossa sidoksen muodostava elektronipari on peräisin Lewisin emäkseltä esimerkiksi eetterin hapelta.

== Katso myös ==
[[Tiedosto:Lewisin happo ja emäs protoninsiirtoreaktiossa.png|pienoiskuva|300x300px|Protoninsiirtoreaktio. jossa vesi on Lewisin emäs ja protoni (H<sup>+</sup>) Lewisin happo|alt=]]
* [[Happo-emästasapaino]]

== Huomautukset ==

<references group="note" />

== Lähteet ==
{{Viitteet}}

== Aiheesta muualla ==
{{commonscat-rivi}}

{{Orgaaniset reaktiot}}

[[Luokka:Hapot]]
[[Luokka:Kemialliset reaktiot]]
[[Luokka:Orgaaniset reaktiot]]