Общая характеристика. Протолитическая теория кислот и оснований

Протолитическая теория кислот и оснований

Лекция 10

Авторы Й. Брёнстед, Т. Лоури, 1923.

Из всех теорий, созданных после теории кислот и оснований Аррениуса, протолитическая теория наиболее близка к последней, представляет собой ее развитие в направлении уточнения понятий кислот и оснований и устранения некоторых недостатков. В протолитической теории классы кислот и оснований не имеют такого принципиального значения, как в более ранних теориях. Рассматривается проявление кислотности и основности любыми веществами, независимо от принадлежности к какому-либо классу. В частности, все соли проявляют кислотные и основные свойства с перевесом в ту или иную сторону.

В протолитической теории принципиальное значение имеет взаимодействие веществ с растворителем. Во взаимодействии веществ и проявляются их кислотно-основные свойства. Сущность кислотности состоит в способности частицы вещества (молекулы или иона) отдавать протон p ⁺ другой частице, которая, связывая протон, действует как основание. В протолитической теории рассматриваются кислоты и основания в протонных растворителях (вода, спирты, безводные кислоты, аммиак), которые и сами могут как присоединять, так и отдавать протон.

Наиболее существенное различие между двумя теориями состоит в понимании природы водородного иона в растворе. В теории Аррениуса это один из катионов с присущими ему свойствами и, в частности, образующий молекулы воды при нейтрализации кислоты щелочью. В протолитической теории, базирующейся на сделанных незадолго открытиях электронов, атомных ядер и протонов, ион водорода или протон как свободная частица не рассматривается. Протон не похож на обычные металлические катионы, так как представляет микрочастицу с условным радиусом ~0,001пм (10^–15 м) и не имеющую электронов. У такого обычного катиона как Na⁺ радиус ~100 пм (10^–10 м), то есть в 100 000 раз больше. Из-за огромного различия в размерах поведение протона не похоже на поведение катионов металлов. Протон легко перемещается от одной молекулы к другой. Однако подвижность протона, его способность к перемещению между молекулами проявляется главным образом в соединениях, в которых водород связан с кислородом, азотом, галогенами.

Протон от молекулы кислоты переносится на молекулу воды с образованием иона гидроксония Н₃О⁺. В растворе он дополнительно гидратирован и присутствует, в основном, в виде частиц Н₃О⁺·3Н₂О. Это и есть те частицы, которые по традиции называют ионами водорода и записывают как Н⁺. Не гидратированный ион Н₃О⁺ (оксоний) обнаружен в кристаллогидратах кислот, например, HClO₄·Н₂О. Согласно кристаллической структуре, это перхлорат оксония Н₃О⁺ClO₄^–. Протон как свободная частица в растворе существовать не может. Водород, входящий в состав как молекул воды, так и ионов гидроксония, образует дополнительные водородные связи с окружающими молекулами воды. При небольших смещениях протона водородная связь переходит в ковалентную, а ковалентная в водородную, и протон оказывается перенесенным к другой молекуле.

+

+

H H H H

O H O O H O

H H H H

Перенос протона может происходить в длинной цепочке молекул. Этим объясняется особо высокая подвижность иона водорода и высокая электропроводность кислот. Это одна из самых быстрых химических реакций с константой скорости порядка 10¹⁰ – 10¹¹ л·моль^–1·с^–1. Протонируя различные молекулы, гидроксоний резко повышает их химическую активность, и поэтому оказывается одним из самых эффективных катализаторов. Концентрированные растворы сильных кислот, содержащие гидроксоний в высокой концентрации, при попадании на живую ткань вызывают гидролиз биополимеров и дезорганизует клеточные процессы.

Дата добавления: 2014-01-07