De begrippen zuur en base hebben in de scheikunde een opmerkelijke ontwikkeling doorgemaakt. Aanvankelijk dacht men dat voor het vormen van een zuur of een base het element zuurstof nodig was. (Vandaar de naam). Men dacht daarbij aan basevormende en zuurvormende oxiden, bijvoorbeeld van calcium en van koolstof. Wanneer deze in water opgelost worden vormen zij een zuur en een base:
- CaO + H2O => Ca(OH)2-gebluste kalk (een hydroxide)
- CO2 + H2O => H2CO3 -koolzuur
In waterige oplossing splitsen zij (voor een deel) in ionen:
- Ca(OH)2 => Ca2+ + 2 OH-
- H2CO3 => 2 H+ + CO32-
In de Brønsted definitie is een stof die OH- ionen vormt een base en is een stof die H+ ionen vormt een zuur. (Een latere verfijning stelt dat er geen 'kaal' H+ ion gevormd wordt maar dat dit kale proton zich altijd met nog een water molecule tot een complex H3O+ ion verbindt) Bij elkaar gevoegd reageren H+ en OH- en vormen water H2O . Deze reactie wordt neutralisatie genoemd.
- H+ + OH- <=> H2O
Deze reactie vindt echter in water altijd plaats en wel in beide richtingen. Zelfs in ultrapuur water is er altijd een klein deel van het water als H+ + OH- aanwezig. De concentraties zijn echter vrij klein: [H+] = [OH-] = 10-7 (mol/l) Omdat het hier om een chemisch evenwicht gaat is het product van deze twee concentraties altijd constant (zolang de temperatuur constant blijft): [H+].[OH-] = 10-14 =Kw
Wanneer er een sterk zuur toegevoegd wordt, bijvoorbeeld in een concentratie van 10-3 mol/l dan wordt de [OH-] bijzonder klein: 10-11 mol/l.
Wanneer een sterk zuur en een sterke base samengevoegd worden reageren de ionen en vormen water totdat het product van hun concentraties10-14 geworden is. Bij deze neutralisatie komt vrij veel warmte vrij. In het bovenstaande voorbeeld gebeurt er echter meer:
- Ca2+ + 2 OH- + 2 H+ + CO32- => 2H2O + CaCO3.
Er slaat namelijk ook calcium carbonaat neer. Deze stof die bestaat uit een base-rest Ca2+ en een zuur-rest CO32- wordt een zout genoemd. In dit geval is het zout niet erg oplosbaar, maar er zijn gevallen waar het gewoon als ionen in oplossing blijft. Wanneer het water verdampt, blijft het echter meestal als kristallijne vaste stof achter. Veel oxiden vormen inderdaad op deze manier ofwel een zuur ofwel een base. In de regel is het oxide van een element uit het linker gedeelte van het periodiek systeem, bijvoorbeeld de alkalimetalen basevormend en van de rechterkant bijvoorbeeld de halogenen of de zwaardere elementen uit de zuurstofgroep zuurvormend. Van de tussenliggende elementen zijn de oxiden soms amfoteer, zij kunnen dan zowel als base en als zuur optreden afhankelijk van waar zij mee reageren. Van de overgangsmetalen zijn echter sommige oxiden ook sterk zuurvormend, vooral van oxiden met hoge oxidatie getallen zoals CrO3.
Het idee dat zuurstof een noodzakelijk ingrediënt van een zuur is, bleek al spoedig onjuist. Een goed voorbeeld is zoutzuur, een zuur dat ten grondslag ligt aan het meest bekende zout: keukenzout NaCl. Zoutzuur wordt gevormd als keukenzout wordt behandeld met een sterk zuur in hoge concentratie, zoals zwavelzuur:
- H2SO4 + 2NaCl => Na2SO4 + 2HCl
Zoutzuur HCl bevat geen zuurstof maar het is een gas dat goed oplosbaar is in water en daarin H+ + Cl- (of liever H3O+) ionen geeft. Iets vergelijkbaars kan gezegd worden van ammoniak NH3. Hoewel dit gas uitstekend in water oplosbaar is bevat het geen zuurstof en kan het dus niet volgens de Bronsted definitie een OH- ion afsplitsen. Het heeft echter wel een eenzaam elektronenpaar (:) en kan daarom een H+ accepteren:
- H3N: + H+ => NH4+
Met zoutzuur vormt het dan ook een zout salmiak NH4+Cl- => NH4Cl. Van een verbinding als BF3 geldt het omgekeerde. Dit molecule heeft in plaats van een eenzaam elekronenpaar juist een geheel lege elektronenbaan. Met H3N: kan BF3 daarom rageren alsof het een zuur was. Het ene molecule doneer elektronen (de base) de andere accepteert ze (het zuur).
- H3N: + BF3 =>H3N-BF3
Om dit soort gevallen in de zuur-base leer op te nemen is er een nieuwe definitie geformuleerd door Lewis
- Een zuur is een species die elektronen accepteert
- Een base is een species die elektronen doneert.
Hoewel de Lewis definitie veel ruimer is, is zij compatibel met de Brønsted definitie. Alle Brønsted zuren zijn dus Lewis zuren maar niet andersom. nds:Süür