Кислоты и основания (Теория на русском)

Кислоты и основания

Реакция с переносом протона — это протолитическая реакция, в которой протон (ион водорода, \(\large H^+\)) переносится от одной молекулы к другой.

Есть несколько определений, что такое кислоты и основания. На сегодняшний день самая распространенная теория Бронштедта (Брёнстеда-Лоури). Она гласит, что:

• Кислоты — это частички, отдающие протоны, — доноры протонов
• Основания — это частички, принимающие протоны, — акцепторы протонов.

Это определение шире, чем определение Аррениуса, поскольку не ограничивается водными растворами. Кислоты могут выделять протоны в различных растворителях и средах.

В качестве протона чаще всего принимается катион водорода \(\large H^+\). Если от атома водорода отделить электрон, в атоме останется только протон.

Уравнения реакций

Уравнения реакций по Бронштедту показывают переход катиона водорода от кислоты к основанию.

Если кислота реагирует с основанием, она становится соответствующим основанием, а основанием соответствующей кислотой.

1. В реакции \(\large HCl + H_2O \rightleftharpoons Cl^- + H_3O^+,\)

\(\large HCl\) (соляная кислота) — это кислота, она выделяет протоны (ион водорода \(\large H^+\)) и, соответственно, является донором протонов. Вода же принимает эти протоны, и в этом случае вода является акцептором протонов и реагирует как основание.

• \(\large HCl \rightleftharpoons Cl^- + H^+\) (соляная кислота является донором протонов = кислота)
• \(\large H^+ + H_2O \rightleftharpoons H_3O^+\) (вода является акцептором протонов = основанием)

В реакции основание \(\large H_2O\) принимает протон и превращается в кислоту \(\large H_3O^+\), а в обратной реакции кислота \(\large H_3O^+\) отдает протон и превращается в основание \(\large H_2O\). Такая пара, в которой протон поглощается и теряется, называется сопряженной (или соответствующей) кислотно-основной парой.

2. В реакции \(\large NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-\)

аммиак является акцептором протонов, а вода — донором протонов (т.е. наоборот, как в первом примере).

• \(\large NH_3 + H^+ \rightarrow NH_4^+\) (аммиак является акцептором протонов = основанием)
• \(\large H_2O \rightarrow H^+ + OH^-\) (вода является донором протонов = кислота)

Вода

Вода может быть в реакции как основанием, так и кислотой. Это зависит от второго реагента: вода либо отдает протон и становится \(\large OH^-\) или принимает протон и становится \(\large H_3O^+\). В первом случае вода выступает кислотой, во втором — основанием.

Пример: \(\large HCl + H_2O \rightleftharpoons Cl^-+ H_3O^+\). Здесь \(\large HCl\) — кислота, а вода — основание.

\(\large H_3O^+\) называется гидрониум-ион.

Из двух реакций выше можно сделать вывод, что вода может реагировать и как основание, и как кислота, это зависит от реагирующего вещества.

Вещества, которые могут выступать в качестве как кислот, так и оснований, называются амфотерными соединениями или амфолитами.

Амфотерные оксиды

Сила кислот и оснований

Под силой кислот и оснований понимается их способность переносить протоны (ионы \(\large H^+\)) в кислотно-основной реакции. Эта сила часто оценивается с помощью так называемой концепции силы кислоты или силы основания. Сила кислоты зависит от того, насколько легко она может отдать протон \(\large (H^+)\). Чем легче кислота отдает протоны, тем сильнее она как кислота. Одним из факторов, влияющих на силу кислоты, является устойчивость сопряженного аниона образующегося после отдачи протона. Если сопряженный анион стабилен, то высвобождение протонов происходит быстрее, что приводит к образованию более сильной кислоты. Важной единицей измерения силы кислоты является значение pK.

Чем легче кислота отдает протоны, тем она сильнее и тем меньше значение pK.

Чем сильнее кислота, тем слабее ее сопряженное основание. И наоборот, чем сильнее основание, тем слабее его сопряженная кислота.

1. Например, перхлорная кислота, \(\large HClO_4\), является очень сильной кислотой, а соответствующее ей основание, перхлорат, \(\large ClO_4^-\), — очень слабым основанием.

\(\large HClO_4 + H_2O \rightarrow H_3O^+ + ClO_4^-\)

2. И наоборот, амид \(\large NH_2^-\) является сильным основанием, а соответствующая кислота \(\large NH_3\) — очень слабой кислотой.

\(\large H_2O + NH_2^- \rightarrow NH_3 + OH^-\)