Протолитическая теория кислот и оснований

Электролитическая диссоциация воды

Вода - очень слабый электролит. Равновесие электролитической диссоциации воды Н₂О↔ Н⁺ + ОН^- резко смещено влево. Определена и константа равновесия этого процесса, она очень мала.

[H+] _* [OH^-]

К_дисс = ------------------ = 1,8 _* 10^-16

[H₂O]

Можно считать, что концентрация молекул воды практически постоянна. Определим её равновесную молярную концентрацию:

[H₂O]= m / M = V_*ρ / M =1000 /18 = 55,56 моль/л

[Н⁺]_*[ОН^-] = К_{дисс *} [H₂O]

[Н⁺]_*[ОН^-] =1,88 _* 10^-16_* 55,56 ≈ 10^-14

[Н⁺]_*[ОН^-] = К_в - ионное произведение воды - это величина постоянная.

К_в=10^-14 при 22°С

Прологарифмируем с обратным знаком:

-lg([H⁺]_*[OH^-]) = -lg 10^-14

С учетом свойств логарифмов можем записать:

-lg[H⁺] - lg[OH^-] = lg 10¹⁴

рН + рОН=14

рН = -lg[H⁺] - водородный показатель, рОН = - lg[OH^-] - гидроксильный показатель. Эти показатели исполь­зуются для характеристики кислотности среды.

Среда нейтральная рН = рОН = 7;

Среда кислая рН < 7; рОН > 7.

Например, если рН=З, тогда [Н+]=10^-3моль/л

рОН = 14-3=11, тогда [ОН^-] = 10^-11 моль/л

Эта теория была предложена Бренстедом в 1923 году, исторически она является последней и более совершенной. До этой теории существовали еще несколько других, обладающих как преимуществами, так и недостатками. Самая известная из них - теория электролитической диссоциации, предложенная Аррениусом в 1887 году.

В протолитической теории кислот и оснований выделяется особая группа веществ - протолитов, взаимодействие между которыми осуществляется при передаче протона Н⁺ (от одного к другому).

Вещества, которые отдают протон, являются кислотами, а вещества, которые протон присоединяют - основаниями.

Ион водорода - протон - обладает уникальностью, то есть отличается от всех других ионов:

1. обладает малыми размерами (в 10000 раз меньше других);

2. обладает высокой подвижностью;

3. единственный ион, у которого отсутствуют электронные оболочки; он может внедряться в электронные оболочки других атомов, образуя водородную связь.

При растворении НС1 в Н₂О наблюдается протолитическое взаимодействие: НС1 ↔ Н⁺ + Сl ¯ или

НС1 + Н₂О↔ Н₃О⁺ + Сl ¯

Н₃О⁺ - это ион гидроксония

Согласно этой теории, все кислоты делятся на несколько групп:

1) нейтральные: H₂SO₄, HC1, Н₂О;

2) анионные: HSО₄^¯, H₂PО₄^¯, НРО₄ ^2-

3) катионные: NH₄⁺, H₃О⁺.

Основания:

1) нейтральные: Н₂О, NH₃;

2) анионные: CN¯, СН₃СОО^¯.

Некоторые вещества обладают амфотерностью, например, вода:

Н₂О + Н₂SO₄ ↔ H₃O⁺ + HSO₄ ^¯

основаниее кислота кислота основание

Н₂O +:NH₃ ↔ NH₄⁺ + ОН ^¯

кислота основание кислота основание

Для характеристики протолитических свойств растворителей используется понятие «сродства к протону» - это энергия, которая выделяется при присоединении протона к одной молекуле растворителя. В порядке уменьшения сродства к протону все растворители образуют ряд, например:

NH₃ ; H₂0; C₂H₅OH; HCN; CH₃COOH; HN0₃; H₂S0₄

уменьшение сродства к H⁺, усиление кислотных свойств

Таким образом, любой член этого ряда является кислотой ко всем предыдущим членам этого ряда, например:

С₂Н₅ОН + HCN ↔ С₂Н₅ОН₂⁺ + CN^¯

основание кислота

Наибольшим сродством к протону обладает аммиак (NH₃) - он всегда будет основанием. Например, при растворении спирта в аммиаке:

С₂Н₅ОН + NH₃ → NH₄⁺ +С₂Н₅О ^¯

кислота основание

Упражнения для самостоятельной работы:

1. Рассчитать рН 0,01М раствора уксусной кислоты (СН₃СООН), степень электролитической диссоциации α=0,15.

2. Рассчитать рН 0,1 М раствора NH₄OH,если α=0,042 Рассчитать рН 0,5 М муравьиной кислоты (НСООН), если К_дисс (НСООН) = 1,77_*10^-4.

3. Рассчитать рН 0,05 М раствора НNO₃.

4. Рассчитать рН 0,02 М раствора NaOH.

5. Осмотическое давление 0,01 М раствора KCl при 37 ^оС составляет 0,48 атм. Вычислить кажущуюся степень диссоциации соли

(R=0,082 л_*атм/моль_*К).

6. Раствор, содержащий 15 г неэлектролита в 100 г воды, замерзает при температуре -1,55 ^оС. Вычислить молярную массу неэлектролита.

7. Доказать амфотерность дигидрофосфат-иона (Н₂РО₄¯) с позиций протолитической теории.

Глава 3

Дата добавления: 2013-12-12