Протонная теория кислот и оснований (общие сведения)

Протонная теория объясняет кислотные и оснoвные свойства веществ происходящими между ними процессами протолиза - обмена протонами. Это значит, что одно вещество (HA) в функции кислоты (донора протонов) вступает в кислотно-оснoвное взаимодействие с другим веществом B^–, выполняющим функции основания (акцептора протонов):

HA + B^– A^– + HB

Продукты реакции - новое основание A^– и новая кислота HB (сопряженные с реагентами HA и B^– соответственно) также вступают в кислотно-основное взаимодействие между собой. Это делает реакцию обратимой и приводит всю систему в состояние протолитического равновесия.

Жидкие протонсодержащие растворители вступают в обратимую реакцию автопротолиза. Например, для воды:

H₂O + H₂O

OH^– + H₃O⁺

Состояние равновесия в этом случае характеризуется ионным произведением воды K_B:

K_B = [OH^–] х [H₃O⁺] = const = f(T)

При 25 ^оС K_B = 1 ^. 10^–14 и [OH^–] = [H₃O⁺] = 1 ^. 10^–7 моль/л

Содержание катионов оксония [H₃O⁺] и гидроксид-ионов [OH^–] удобно выражать через водородный показатель рН и гидроксидный показатель рОН:

рН = –lg [H₃O⁺] и pOH = –lg [OH^–]

При 25 ^оС в чистой воде рН = 7 и рОН = 7; рН + рОН = 14 = const = f(T).

Растворенные в воде вещества могут выполнять по отношению к ней функции кислоты или основания. Такие вещества называют протолитами в водном растворе. Если протолит HA (молекула или ион) – кислота, то обратимая реакция протолиза имеет вид:
HA + H₂O

A^– + H₃O⁺ (1)
а состояние протолитического равновесия (1) характеризуется константой кислотности K_K:
K_K = [A^–] х [H₃O⁺] / [HA] = f(T)
Значение K_K определяет силу данной кислоты НА в водном растворе. Условно кислоты со значением K_K менее 1 ^. 10^–1 называют слабыми, а со значением K_K более 1 ^. 10^–1 – сильными.

Если протолит A^– (молекула или ион) – основание, то обратимая реакция протолиза имеет вид:
A^– + H₂O

HA + OH^– (2)
а состояние протолитического равновесия (2) характеризуется константой основности K_O:
K_O = {[HA] х [OH^–]} / [A^–] = f(T)

Значение K_O определяет силу данного основания А^– в водном растворе. Условно основания со значением K_О менее 1 ^. 10^–1 называют слабыми, а со значением K_О более 1 ^. 10^–1 - сильными.

Для каждой сопряженной пары кислота HA/основание A- (Кт/Ос) значения K_K и K_O в водном растворе связаны соотношением: K_K х K_O = K_B = const = f(T). Это соотношение справедливо и может быть использовано для практических расчетов только в области разбавленных (от 0,0005 до 0,1 моль/л) водных растворов. В водных растворах с концентрацией более 0,1 моль/л ионное произведение воды K_B начинает зависеть от количества растворенного вещества.
С разбавлением растворов равновесия протолитических реакций (1) и (2) существенно сдвигаются вправо.

При известной аналитической концентрации протолита c_o можно рассчитать его степень протолиза a в данном растворе. Например, для кислоты HA используется формула:

a_HA = [H₃O⁺] / c_o
В области разбавленных водных растворов значение K_K для равновесия (1) связано со значениями a_HA уравнением закона разбавления Оствальда:

K_K = a²_HA х c_o / (1 - a_HA)

В водных растворах протолитов-кислот среда кислотная. Это значит, что [H₃O⁺] > [OH^–] и при 25 ^оС [H₃O⁺] больше 1 ^. 10^–7 моль/л; водородный показатель рН для такого раствора меньше семи.
В водных растворах протолитов-оснований среда щелочная. Это значит, что [OH^–] > [H₃O⁺] и при 25 ^оС [OH^–] больше 1 ^. 10^–7 моль/л; гидроксидный показатель рОН для такого раствора меньше семи, а водородный показатель рН для такого раствора больше семи. В водных растворах веществ-непротолитов среда нейтральная. Как и в чистой воде: при 25 ^оС [H₃O⁺] = [OH^–] = 1 ^. 10^–7 моль/л, а рН = рОН = 7. На практике водные растворы со средой, близкой к нейтральной, могут иметь рН от 6 до 8.

Нижняя и верхняя границы измерения рН водных растворов отвечают значениям рН = 1 и рН = 13 (рОН = 1), поскольку при рН < 1 и рН > 13 растворы протолитов перестают быть разбавленными. Наоборот, в предельно разбавленных растворах протолитов (при их бесконечно малой концентрации) значение рН стремится к семи и определяется автопротолизом самой воды.

Статьи

Протонная теория кислот и оснований (общие сведения)