Happo: Aine, joka luovuttaa positiivisia vetyioneja tai vastaanottaa elektroniparin

Arkikielessä hapolla tarkoitetaan Brønsted–Lowry-happoa.

Hapon määritelmiä on useita, koska happo-emäsparin määrittelyä on laajennettu sen mukaan, kun kemian tietous on lisääntynyt.

Alun perin hapoilla tarkoitettiin aineita, jotka maistuvat happamalta. Niillä todettiin jo varhain olevan muitakin yhteisiä ominaisuuksia: Ne syövyttävät useita metalleja ja muuttavat eräiden väriaineiden, indikaattorien värin, mutta menettävät nämä ominaisuutensa reagoidessaan vesiliuoksissa liukkailta tuntuvien aineiden, emästen kanssa. Vuonna 1663 Boyle määrittelikin hapon aineeksi, joka maistuu happamalta ja muuttaa lakmuksen punaiseksi.

Antoine Laurent Lavoisier väitti 1700-luvulla kaikkien happojen sisältävän yhteisenä ainesosanaan happea, joka sai sen mukaan nimensäkin (oxygenium, hapon muodostaja). Myöhemmin Davy kuitenkin osoitti, että suolahappo ei sisältänyt happea, mutta pian osoittautui, että kaikki hapot sisältävät vetyä.

Arrheniuksen happo

Arrheniuksen vuonna 1881 esittämä happo-emästeoria perustuu elektrolyyttien dissosiaatioon eli niiden jakautumiseen liuoksissa ioneiksi. Teorian mukaan happo on aine, joka tuottaa vesiliuokseen vetyioneja H⁺ (käytännössä oksoniumioneja H₃O⁺), ja emäs on aine, joka tuottaa vesiliuokseen OH⁻-ioneja. Niinpä esimerkiksi suolahappo jakautuu vedessä vety- (H⁺) ja kloridi-ioneiksi (Cl⁻), rikkihappo taas vety- ja sulfaatti-ioneiksi (SO₄²⁻).

Brønsted–Lowryn happo

 

Nykyisin yleisesti käytetyn Brønsted–Lowryn teorian mukaan happo on yhdiste, joka pystyy luovuttamaan protonin eli vetyionin H⁺, ja emäs on vastaavasti yhdiste, joka pystyy vastaanottamaan vetyionin. Brønsted–Lowry-happoon täytyy siten sisältyä vähintään yksi vetyatomi, ja Brønsted–Lowry-emäkseen täytyy sisältyä sellaisen elektronipari, johon protoni voi liittyä. Kyseinen elektronipari voi olla vapaa elektronipari tai π-sidoksen elektronipari. Yleisestä Brønsted–Lowry-haposta käytetään merkintää H-A, emäksestä :B. Vetyä sekä vapaita elektronipareja tai π-sidoksia sisältävät aineet kuten H₂O ja CH₃OH voivat toimia reaktiosta riippuen happona tai emäksenä.

Pienen kokonsa ja varauksensa vuoksi protoni ei voi kuitenkaan esiintyä liuoksissa vapaana, minkä vuoksi happo voi luovuttaa protonin vain, jos läsnä on aine, joka voi ottaa sen vastaan, siis emäs. Vesiliuoksessa hapon luovuttama protoni sitoutuu vesimolekyyliin muodostaen oksoniumionin H₃O⁺. Tällöin vesi toimii siis emäksenä. Oksoniumioni on voimakas happo, ja se tekee liuoksen happamaksi. Brønsted–Lowryn teorian mukaisia happo-emäsreaktioita tapahtuu kuitenkin myös muissa kuin vesiliuoksissa ja silloinkin syntyy ioneja ja näistä edelleen ioniyhdisteitä eli suoloja.

Brønsted–Lowryn teorian mukaan happotähde eli se ioni, joka haposta jää jäljelle sen luovuttaessa protonin, on aina emäs, koska se voi ottaa protonin takaisin. Happo A ja sitä vastaava emäs A⁻ muodostavat toisiaan vastaavan happo-emäsparin. Vahvojen happojen happotähteet ovat kuitenkin emäksinä niin heikkoina, ettei niitä tavallisesti sanota emäksiksi.

Lewisin happo

• Lewisin teoria määrittelee happo ja emäs -käsitteen Brønsted–Lowryn teoriaa laajemmin. Lewis-happo on yhdiste, joka pystyy vastaanottamaan elektroniparin (eli sillä on vajaasti miehitetty valenssiorbitaali) ja Lewis-emäs on aine, joka voi luovuttaa elektroniparin.
  • Lewisin teorian mukaan em. hapot eivät sinänsä ole happoja vaan Lewis-haponkantajia, varsinainen Lewis-happo on niistä irtoava H⁺-ioni.
  • Lewis happo-emäspari muodostaa elektroniparilla uuden sidoksen.
  • Lewis-hapot eivät ole aina Brønsted-happoja – termiä Lewis-happo käytetään yleensä vain näistä hapoista. Esimerkiksi piidioksidilla on Lewis-happamuus, jota voidaan hyödyntää katalyysiin, vaikka piidioksidi on veteen liukenematon eikä sisällä tai vapauta vetyioneja.

Hapot voidaan jakaa dissosoituneen eli hajonneen hapon osuuden mukaan heikoiksi ja vahvoiksi hapoiksi. Vahvat hapot hajoavat (protolysoituvat) lähes kokonaan, heikot vain osittain, ja määritelmä ei riipu liuoksen väkevyydestä. Jos happovakio on suurempi kuin 1 niin kyseessä on vahva happo, muulloin heikko happo. Lisäksi rikkihappoa vahvempia happoja kutsutaan superhapoiksi.

Happovakio K_a kuvaa hapon vahvuutta vesiliuoksessa. Happovakion arvo reaktiossa HA + H₂O ⇌ A⁻ + H₃O⁺ voidaan laskea seuraavalla tavalla:

${\displaystyle K_{\text{a}}={\frac {[{\text{H}}_{3}{\text{O}}^{+}][{\text{A}}^{-}]}{[{\text{HA}}]}}.}$ 

Vahvimmilla hapoilla happovakio on jopa 10¹⁵, kun taas heikoimmilla hapoilla happovakio on 10⁻⁶⁰.

Yksiarvoiset eli monoproottiset hapot reagoivat kerran molekyyliä kohden, esimerkiksi suolahappo HCl hajoaa vain ioneiksi H⁺ ja Cl⁻. Moniarvoisten eli polyproottisten happojen vesiliuoksissa tapahtuu useampia eri protolyysireaktioita. Moniarvoisia happoja ovat esimerkiksi rikkihappo H₂SO₄ ja fosforihappo H₃PO₄, koska niiden molekyyleissä on useita vetyatomeja, jotka voivat irrota protoneina. Rikkihappo luovuttaa aluksi yhden protonin, jolloin syntyy vetysulfaatti-ioni (HSO₄⁻), joka pystyy edelleen luovuttamaan protonin. Rikkihapon vesiliuoksessa tapahtuu siten kaksi eri protolyysireaktiota. Fosforihapossa on kolme vetyatomia, joten sen vesiliuoksessa tapahtuu kolme eri protolyysireaktiota. Moniarvoisten happojen eri konjugaattiemäksillä on eri emäksisyys; esimerkiksi rikkihapon ensimmäinen konjugaattiemäs vetysulfaatti on hyvin heikko, mutta toisen deprotonoinnin tulos sulfaatti SO₄²⁻ taas on selvästi emäksinen. Tämä havaitaan esimerkiksi siten, että sulfaattisuolat ovat emäksisiä.

Vesi H₂O voi Brønstedin teorian mukaan toimia sekä happona että emäksenä eli se on amfiproottinen (aik. amfoteerinen) aine eli amfolyytti. Myös moniarvoisten happojen ionit voivat toimia amfolyytteinä, esimerkiksi vetysulfaatti-ioni HSO₄⁻ pystyy sekä luovuttamaan että vastaanottamaan protonin.

Väkevät hapot syövyttävät orgaanista ainetta sekä metalleja. Happojen vesiliuokset maistuvat happamilta.

Jotkut hapot ovat hapettimia, esim. typpihappo HNO₃, vaikka hapettimen ei tarvitse olla happo tai toisinpäin. Suolahappo on esimerkki haposta, joka ei ole hapetin. Varsinaisten ionisten pelkistimien kanssa hapot voivat kuitenkin pelkistyä ja muodostaa vetyä (H₂), esim. natriumborohydridi reagoi happoliuoksessa vedyksi ja boorihapoksi.

 

Esimerkkejä Arrhenius-hapoista ovat typpihappo, rikkihappo, vetykloridihappo eli suolahappo ja etikkahappo. Nämä yhdisteet ovat happoja sekä Arrheniuksen että Brønsted–Lowryn teorian mukaan. Paljon käytettyjä Lewis-happoja ovat sinkkikloridi ja alumiinikloridi.

Epäorgaanisista hapoista suurin osa kuuluu happihappojen ryhmään. Niissä jokin keskusatomina toimivan alkuaineen atomi on sitoutunut yhteen tai useampaan happiatomiin, joista ainakin osaan on lisäksi kiinnittynyt vetyatomi. On kuitenkin olemassa myös niin sanottuja vetyhappoja, joissa ei ole happea.

Orgaanisia happoja ovat etenkin karboksyylihapot. Ne ovat yleensä heikkoja happoja.

• Karboksyylihappoja
  • Asetyylisalisyylihappo
  • Sitruunahappo
  • Bentsoehappo
  • Etikkahappo
  • Maitohappo
  • Muurahaishappo
  • Oksaalihappo
  • Salisyylihappo
  • Voihappo
• Muita orgaanisia happoja
  • Askorbiinihappo (C-vitamiini) on vinyloginen karboksyylihappo.
  • Deoksiribonukleiinihappo (DNA)
  • Fenolit ovat happamia.
  • Ribonukleiinihappo (RNA)

 

• Epäorgaanisia happihappoja
  • Boorihappo
  • Fosforihapoke
  • Fosforihappo
  • Hiilihappo
  • Perkloorihappo
  • Piihapot, esim. orto- ja metapiihappo
  • Rikkihapoke
  • Rikkihappo
  • Typpihapoke
  • Typpihappo
• Epäorgaanisia vetyhappoja
  • Vetybromidihappo
  • Suolahappo eli vetykloridihappo
  • Vetyfluoridihappo

Monet epäorgaaniset happihapot kuten rikkihappo, typpihappo ja fosforihappo ovat saaneet nimensä alkuaineesta, jota niissä esiintyy vedyn ja hapen lisäksi. Sama alkuaine voi kuitenkin muodostaa vedyn ja hapen kanssa useitakin happoja. Tällöin hapon suomenkielisessä nimessä käytetään happo-sanan sijasta sana hapoke sillä hapolla, jonka molekyylissä on yksi happiatomi vähemmän kuin varsinaisella hapolla ja joka useimmiten on samalla heikompi happo. Niinpä esimerkiksi rikkihappo on H₂SO₄ ja rikkihapoke H₂SO₃. Jos happoja, jotka eroavat toisistaan happiatomien lukumäärän perusteella, on enemmänkin, nimen alkuun lisätään eräissä tapauksissa vielä etuliite per- tai hypo-; niinpä on esimerkiksi:

• hypokloorihapoke (engl. hypochlorous acid) HClO
• kloorihapoke (engl. chlorous acid) HClO₂
• kloorihappo (engl. chloric acid) HClO₃
• perkloorihappo (engl. perchloric acid) HClO₄

Niiden anionien ja niiden muodostamien suolojen nimissä, jotka saadaan poistamalla haposta vetyionit, vastaa pääte -iitti sitä happoa, jonka nimessä on sana hapoke, ja -aatti sitä happoa, jonka nimessä on sana happo. Niinpä esimerkiksi sulfiitti-ioni on SO₃²⁻ ja sulfaatti-ioni SO₄²⁻. Etuliitteitä hypo- ja per- käytetään myös anionien ja suolojen nimissä, esimerkiksi perkloraatti-ioni on ClO₄⁻.

• Emäs
• pH
• pH-indikaattori
• Puskuriliuos
• Titraus
• Peittaus

 

Wiki Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Happo.

• Fineli: Orgaanisten happojen lähteet ruoka-aineissa