13.Ионное произведение воды

Чистая вода очень плохо проводит электрический ток, но все же обладает измеримой электрической проводимостью, которая объясняется небольшой самодиссоциацией воды на катионы водорода и гидроксид-анионы Н₂О=Н⁺+ ОН^-. Константа ионизации воды. Так как вода – очень слабый электролит, то концентрация недиссоциированных молекул может быть принята равной общему количеству молей в 1л воды [H₂O]=1000/18=55,56 моль/л. Тогдаk[H₂O]=[Н⁺] [ОН^-] или [Н⁺] [ОН^-]=1,8∙^10-16 ∙ 55,56=10^-14. Величина [Н⁺] [ОН^-]=10^-14 называется ионным произведением воды.

Важность этой величины (ионного произведения воды) состоит в том, что она сохраняет свою величину (является однозначной) для водных растворов любых веществ.

При добавлении кислоты концентрация ионов водорода увеличивается и соответственно уменьшается концентрация гидроксид-ионов, поскольку при данной температуре (22°С) ионное произведение воды – величина постоянная. При добавлении щелочи наблюдается обратная картина. Таким образом, концентрация ионов водорода в растворе может служить мерой кислотности или щелочности среды. В кислых растворах [Н⁺]>10^-7, в щелочных [Н⁺]<10^-7, в нейтральных [Н⁺]=10^-7.

Концентрация водородных ионов и водородный показатель

водородный показатель рН – это отрицательный десятичный логарифм концентрации водородных ионов. . Тогда для нейтральной среды, для кислых растворов рН<7, для щелочных рН>7.

Понятие об индикаторах

Для определения рН используют кислотно-щелочные индикаторы, которые представляют собой слабые органические кислоты и основания, имеющие различную окраску в диссоциированной и молекулярной формах

14.Кислотно-основные свойства веществ.Кислоты, основания и соли с точки зрения теории элд

Со временАррениуса, по определению которогокислотыв водных растворах диссоциирует на ионы водорода и анионы, а основания диссоциируют на гидроксид-ионы и катионы, круг веществ, участвующих в реакциях кислотно-основного равновесия, значительно расширился. Общепринятными считаются протонная теорияБренстеда–Лоурии электронная теорияЛьюиса.

Протонная теория Бренстеда–Лоуриприменима лишь к протонсодержащим или протонприсоединяющим веществам. Согласно этой теории кислотой называется вещество, способное быть донором протонов, а основанием – вещество, которое может присоединить (акцептировать) протон:

По определению, HAn – кислота, An^–– основание, сопряженное с этой кислотой. Любой кислоте соответствует сопряженное с ней основание.

Любое кислотно-основное равновесие включает взаимодействие двух пар сопряженных кислот и оснований.

Рисунок 6.7

В определенных условиях многие вещества могут вести себя как кислота или как основание. Эти два понятия неразделимы, а потому правильнее говорить о кислотно-основных свойствах данного вещества.

В соответствии с законом действующих масс константы равновесия реакций протолиза сопряженных кислот и оснований в воде связаны между собой простым соотношением 

Перемножив константы сопряженных кислот и оснований, получим 

Заменив активности ина равновесные концентрации, получим

Произведения констант диссоциации сопряженных кислот и оснований в водных растворах равно ионному произведению воды. По известным K_K(K_осн) можно легко найти значения сопряженныхK_В.

Электронная теория Льюисадопускает, что участие в кислотно-основном равновесии протона необязательно, поэтому ее называют апротонной. Согласно апротонной (электронной) теории, кислотой называется вещество, способное присоединять электронную пару, а основанием – вещество, способное отдавать электронную пару.

При взаимодействии донора электронной пары: NF₃(кислота) и акцептора электронной пары BF₃(основание) образуется более устойчивое электронное окружение (октет) за счет донорно-акцепторной (двухэлектронной двухцентровой) связи.

Ни кислота, ни основание протонов не содержат.

Эта концепция расширяет границы веществ, проявляющих кислотно-основные свойства, включая в себя протонотдающие и протонприсоединяющие системы.

В периоде сила кислородсодержащей кислоты растет с увеличением заряда и с уменьшением радиуса иона кислотообразующего элемента: 

Для одного и того же элемента константа диссоциации различных кислот возрастает по мере увеличения степени окисления кислотообразующего элемента примерно на пять порядков каждый раз. 

В пределах одной группы элементов сила кислоты уменьшается по мере увеличения радиуса кислотообразующего элемента: 

Для многоосновных кислот способность к депротонизации уменьшается по мере увеличения отрицательного заряда аниона: 

При этом константа диссоциации каждой последующей ступени уменьшается примерно на пять порядков: 

K1:K2:K3= 1 : 10^–5: 10^–10.

На состояние динамического равновесия, в котором находится раствор слабого электролита, сильно влияет присутствие одноименного иона. Так, диссоциация уксусной кислоты протекает по схеме 

и для этой реакции 

Прибавление к раствору уксусной кислоты ее соли (CH₃COONa → CH₃COO^–+ Na⁺) резко увеличивает концентрацию ионов CH₃COO^–и смещает равновесие в сторону образования недиссоциированных молекул кислоты. Ее диссоциация теперь пренебрежимо мала, и концентрация недиссоциированных молекул почти равна концентрации кислоты, тогда при [CH₃COOH] = [кислота], и [CH₃COO^–] = [соль] концентрация H⁺равна

или 

Следовательно, концентрация ионов H⁺этого раствора будет определяться соотношением концентраций кислоты и соли, взятых для его приготовления.

Рассуждая аналогичным образом, можно вывести уравнения для раствора слабого основания и его соли (NH₃∙H₂O и NH₄Cl):

или 

Амфолиты

Амфотерные электролиты (амфолиты) – это вещества, которые одновременно могут проявлять и кислотные, и основные свойства.

К амфотерным относятся две группы веществ:

1. вещества, у которых и кислотные, и основные свойства определяются одной и той же функциональной группой – ОН. К таким веществам можно отнести Zn(OH)₂, Al(OH)₃:

2. вещества, у которых кислотные и основные свойства определяются наличием разных функциональных групп. К таким вещества относятся аминокислоты типа NH₂RCOOH. В водных растворах жирные аминокислоты полностью или частично переходят в форму: NH₃⁺RCOO^-- это ион, несущий одновременно и положительный и отрицательный заряд.