Согласно теории электролитической диссоциации Аррениуса, кислотами называются вещества, при диссоциации которых образуется ион гидроксония и анион кислотного остатка, а основаниями называются соединения. При диссоциации которых образуются гидроксид-ионы и катионы металла. Теория Аррениуса объясняет поведение и свойства электролитов в водных растворах, а также дает возможность сравнивать силу электролитов по степени электролитической диссоциации.
Однако с помощью теории Аррениуса нельзя объяснить изменение свойств многих веществ в неводных растворителях. В зависимости от растворителя одно и то же вещество может быть сильным и слабым электролитом, кислотой или основанием или вообще не проявлять кислотно-основных свойств.
В настоящее время существует несколько обобщенных теорий кислот и оснований. Наиболее широкое применение имеют протонная теория кислот и оснований, предложенная в 1923 г. датским ученым Бренстедом и английским ученым Лоури, и электронная теория Льюиса.
|
|
Согласно теории Бренстеда—Лоури, кислотами называют вещества, отдающие протоны, а основаниями — вещества, принимающие протоны. Протон не может существовать в растворе самостоятельно, он должен быть принят основанием, поэтому, чтобы кислота могла отдать протон, необходимо присутствие основания, к которому протон переходит. Таким образом, возникают кислотно – основные пары, которые называют сопряженными. Следовательно, каждая кислота имеет сопряженное с ней основание и каждое основание – сопряженную с ним кислоту.
Реакция отдачи Протона выражается схемой:
Кислота1 ↔ основание1 + Н+.
Реакция принятия протона выражается схемой:
Основание2 + Н + ↔ Кислота2.
Суммарно:
Кислота1 + основание2 ↔ Кислота2 + основание1
Например, в уравнениях:
+---+
HCl + NH3 ↔ Cl- + NH4+
кислота1 основание2 основание1 кислота2
HCl ↔ Cl- + H+
кислота1 основание1
NH3 + H+ ↔ NH4+
основание2 кислота2
В приведенном равновесии участвуют 2 пары кислот и оснований: сопряженными кислотой и основанием являются НС1 и С1-, NH4- и NНз.
К кислотам и основаниям по теории Бренстеда – Лоури относятся не только молекулы, но и ионы. Например, ионы аммония и гидросульфат ион являются кислотами, так как они способны отщеплять протоны:
NH4+ ↔ NH3 + H+
HSO4- ↔ SO42- + H+. Ацетат-ион является основанием так как он принимает протон.
СНзСОО-+ Н+ ↔ СНзСООН.
Одно и то же вещество при растворении в разных растворителях может проявлять амфотерные свойства, т. е. Быть кислотой и основанием. Например, в жидком аммиаке гидросульфид-ион HS- проявляет свойства кислоты:
HS- + NH3 ↔ NH4+ + S2-
кислота основание кислота основание
|
|
находясь же в бромоводороде НS-, будет основанием
НS- + НВг ↔ Н2S + Вг-.
Основание Кислота Кислота Основание
Во всех этих реакциях протон играет особую роль при взаимодействии кислот и оснований, поэтому, согласно теории Бренстеда—Лоури, кислоты и основания носят общее название протолиты, а реакции между ними называют протолитическими. К протолитическим реакциям относят реакции нейтрализации, гидролиза, диссоциации кислот и оснований. Например:
1) диссоциация кислот:
+---+
NH3 + H2O ↔ NH4+ + OH-
основание2 кислота1 кислота2 основание1
2) диссоциация оснований:
+----+
HSCN + H2O ↔ SCN- + H3O+
кислота1 основание2 основание1 кислота2
3) гидролиз
+---+
CH3COONa + HOH ↔ CH3COOH + NaOH
+--+
CH3COO- + H2O ↔ CH3COOH + OH-
4) реакция нейтрализации:
+-----+
HCl + NaOH ↔ NaCl + H2O
+----+
H3O+ + OH- ↔ H2O + H2O
кислота1 основание2 кислота2 основание1
Механизм этих реакций один и тот„же в реакциях происходит перемещение протона от одних молекул или ионов к другим молекулам или ионам.
Применив протонную теорию, растворители можно разделить на три группы: кислые, основные и амфотерные неводные растворители.
К кислым неводным растворителям относятся уксусная и муравьиная кислоты (а также их смеси с уксусным ангидридом, бензолом, хлороформом), серная, циановодородная. фтороводородная кислоты. Молекулы этих растворителей легко отдают протоны, поэтому в кислых растворителях сила оснований возрастает, ионизация основания резко увеличивается.
К основным неводным растворителям относятся диметилформамид. Пиридин, бутиламин и их смеси с бензолом, хлороформом, а также жидкий аммиак, этилендиамин, формамид, 1,4-диоксан, этаноламин. Основные растворители обладают ярковыраженным сродством к протону. Их акцепторные свойства поотношению к протону преобладают над донорными. Молекулы этих растворителей могут отдавать протоны лишь очень сильным основаниям.
Основные растворители увеличивают силу кислот. По уменьшению сродства к протону растворители располагают в следующем порядке: NНз, N2Н4, H2O, C2H5OH, НСN, Н2S, СНзСООН, НСООН, НF, Н2SO4, HNO3, HClO4.
Амфотерные растворители способны проявлять двойственный характер, т. е. они обладают основными и кислотными свойствами. К таким растворителям относятся вода, пероксид водорода, метанол, этанол и др.
Таким образом, применяя различные растворители кислотного, основного или амфотерного характера, можно изменять силу кислот и оснований. Эти приемы широко используют, в методе кислотно-основного титрования в неводных растворителях. Этот метод позволяет количественно определять кислоты, основания, соли, титрование которых в воде невозможно или затруднительно из-за их слабых кислотно-основных свойств или плохой растворимости.
Протолитическая теория является более общей по сравнению с классической теорией Аррениуса, так как она объясняет поведение кислот и оснований не только в воде, но и в неводных растворителях.