7. Кислотно-основные реакции. Протонная теория кислот и оснований

Более универсальные определения понятий кислота и основание, чем данные в рамках ионной теории Аррениуса, сформулированы в протонной теории. Основы этой теории были заложены датским физико-химиком Бренстедом и английским химиком Лаури. Теория называется протонной потому, что глав­ная роль в определении понятий кислота и основание отведена в ней простей­шей химической частице Н⁺ – катиону водорода в виде свободного протона,

В соответствии с протонной теорией

кислота — это вещество, водородсодержащие частицы которого (молеку­лы, ионы) способны отдавать свои протоны;

основание — это вещество, частицы которого (молекулы, ионы) способны принимать протоны от кислот.

Таким образом, кислота—это донор протонов: НА = а^- + Н⁺, основа­ние – это акцептор протонов: В + Н⁺ = НВ⁺ (НА — общая формула кис­лоты, В — общая формула основания).

В определениях кислот и оснований проявляется заметная аналогий с определениями восстановителей и окислителей, участвующих в процессах от­дачи и приема электронов. Как в окислительно-восстановительной паре окисленной форме соответствует восстановленная форма, содержащая, как минимум, на один электрон больше, так и согласно протонной теории каждой кислоте соответствует свое основание, имеющее, как минимум, на один протон меньше:

НА 	А^-	+ Н^+	и	В +	Н^+ 	НВ^+
кислота 1	основание 1	протон		основание 2	протон	кислота 2

Каждая кислота переходит в соответствующее ей основание в результате потери протона, а каждое основание переходит в соответствующую ему кис­лоту в результате приобретения протона.

Кислота и соответствующее основание образуют кислотно-основную со­пряженную пару Кислота/Основание: НА/А^- и НВ⁺/В

Например:

Азотная кислота и нитрат-ион НNО₃/NО₃^-

Хлороводород и хлорид-ион НС1/Сl^-

Гидросульфат-ион и сульфат-ион Н₂SO₄/SO₄^2-

Катион аммония и аммиак NН₄⁺/NН₃

Поскольку при передаче протона частица кислоты отдает один положи­тельный элементарный заряд, то в каждой сопряженной паре Кислота/Основание присутствует, как минимум, один ион, а заряд частицы кислоты на еди­ницу больше, чем у частицы основания.

Протонная теория приписывает кислотные свойства таким частицам, как NН₄⁺, а основные свойства — частицам NО₃^- и С1^-, это показывает, как силь­но различаются определения Бренстеда — Лаури и Аррениуса. По Бренстеду — Лаури кислотно-основные свойства приписываются любым частицам (мо­лекулам, ионам), так что и кислоты, и основания могут быть нейтральными (НNО₃, НС1, NН₃) и заряженными (НSО₄^-, NН₄⁺, NО₃^-, SО₄^2-).

В соответствии с протонной теорией любая водородсодержащая частица может проявлять и кислотные, и основные свойства. Например: НNО₃  NО₃^-+ Н⁺ и НNО₃ + Н⁺ Н₂NО₃⁺.

В первой сопряженной паре НNО₃ — кислота и NО₃^- — основание, а во вто­рой — Н₂NО₃⁺ (катион нитратодиводорода) — кислота и НNО₃ — основание.

В протонной теории кислоты (доноры протонов) и основания (акцепторы протонов) объединяются в одно понятие протолит. Протолиты — это ве­щества, способные к отдаче или приему протонов.

Протолиты, которые в одних условиях могут отдавать свои протоны, а в других — принимать протоны, называются амфолитами. Таким образом, амфолиты могут одновременно быть донорами и акцепторами протонов. Например: Амфолитом является гидрокарбонат-ион:

нсо₃^- = со₃^2- + н⁺ и нсо^- + н⁺ = н₂со₃.

Если две сопряженные пары Кислота/Основание привести в контакт, то между ними может произойти обмен протонами — протолиз. Химические ре­акции, сопровождающиеся протолизом, называются протолитическими:

НА + В  А^- + НВ⁺ или кислота 1 + основание 2  основание 1 + кислота 2

Известно, что в ряду жидких веществ:

NН₃, Н₂O, С₂Н₅ОН, НСN, Н₂S, СН₃СООН, НNO₃, Н₂SO₄, НF, НСlO₄, сродство к протону убывает от NН₃ к НСlO₄.

Вследствие конкуренции за обладание протоном кислотно-основные реак­ции — обратимые процессы, характеризующиеся состоянием протолитического равновесия.

Из законов термодинамики следует, что протолитическое равновесие всегда будет смещено в сторону образования более слабых протолитов.

В соответствии с протонной теорией вода является по отношению к са­мой себе амфолитом: Н₂О = ОН^- + Н⁺ и Н₂О + Н⁺ = Н₃О⁺, что объясняет протекание автопротолиза воды:

Н₂O + Н₂О = ОН^-+ Н₃O⁺

Автопротолиз воды количественно характеризуется ионным произведе­нием воды:

К_В = [Н₃O⁺] [ОН^-] = 1 • 1 0 ^{- 14} (25 °С)