§ 40. Современные представления о кислотах и основаниях

Существование кислот и оснований в неводных растворах. В настоящее время доказано, что кислоты и основания с присущими им характерными свойствами существуют не только в водных растворах, в которых имеются ионы водорода и гидроксила, но и в неводных растворах, где этих ионов нет. Поэтому применительно к неводным растворам прежние определения кислот и оснований как электролитов, диссоциирующих с образованием ионов водорода и ионов гидроксила, неточны.

Ионы лиония и ионы лиата. Доказано, что свободные ионы водорода отсутствуют даже в водных растворах. Они гидратированы. При электролитической диссоциации кислот в неводных растворах образуются разнообразные сольватированные ионы водорода. В воде -ионы образуют -ионы (гидроксония), в среде аммиака они образуют (аммония), в растворе пиридина — -ионы (пиридиния) и т. д.

Сольватированные молекулами растворителя ионы водорода (протоны) называют ионами лиония, а анионы, образующиеся при ионизации растворителя, — ионами лиата (табл. 20):

Теория сольвосистем. В жидком аммиаке амид калия ведет себя так, как едкое кали КОН в водном растворе, т. е. является сильным основанием. Это доказывается тем, что указанный раствор по отношению к фенолфталеину оказывается щелочным, нейтрализует кислоты и обладает высокой электропроводностью.

Хлорид аммония в растворе жидкого аммиака ведет себя так, как хлористый водород в воде, т. е. является сильной кислотой. Это доказывается тем, что указанный раствор нейтрализует основания и обладает высокой электропроводностью.

Следовательно, основные и кислые свойства присущи не только соединениям, характеризующимся наличием гидроксильных групп и свободных ионов водорода.

Проявление кислых и основных свойств, не являющихся кислотами или основаниями в общепринятом смысле, наблюдается во многих растворителях, как содержащих водород, так и не содержащих его, например , жидких и др.

ТАБЛИЦА 20. Сольватированные протоны (ионы лиония) и соответствующие им анионы (ионы лиата), образующиеся в процессе самоионизации растворителей

Некоторые реакции нейтрализации кислот и оснований в среде различных растворителей сопровождаются образованием молекул данного растворителя:

а) в водном растворе:

б) в среде жидкого аммиака:

в) в среде безводной уксусной кислоты:

и т. д.

Это общее начало — образование в процессе нейтрализации соли и молекул растворителя — объединяет взгляды многих сторонников так называемой теории сольвосистем. Согласно этой теории, между реакциями аквосоединений в воде и соединениями в других растворителях имеется большое сходство.

Кислоты и основания с точки зрения теории сольвосистем. Согласно теории сольвосистем, кислотами и основаниями являются химические соединения, образующие катионы и анионы, идентичные с катионами и анионами данного растворителя.

Например, диссоциация аммиака происходит с образованием в среде жидкого аммиака образует катионы аммония , следовательно — кислота; образует анионы амид-ионов , значит — основание; в среде безводной уксусной кислоты — кислота, — основание и т. д.

К недостаткам этой теории можно отнести то, что она не объясняет существования типичных кислот и оснований в растворах неионизирующих растворителей.

Теория Бренстеда-Лоури. Согласно теории Бренстеда—Лоури, придерживающихся того взгляда, что свойства кислот и оснований объясняются их составом, кислотами являются химические соединения, способные отдавать протоны протонов); основаниями — вещества, способные присоединять протоны (акцепторы протонов).

С этой точки зрения общим для всех кислот является наличие в их составе водорода. Кислотами могут быть электронейтральные молекулы, катионы и анионы. Например:

Сопряженные кислоты и основания. Каждая кислота имеет сопряженное с ней основание и каждое основание имеет сопряженную с ним кислоту.

Для того чтобы кислота , являющаяся донором протона и образующая при этом основание , могла отдать протон, необходимо присутствие основания , акцептирующего (присоединяющего) протон с образованием кислоты :

Как видно из уравнений реакций, в приведенном выше равновесии участвуют две пары кислот и оснований.

Состояние равновесия среди сопряженных пар кислот и оснований. В общем виде состояние равновесия зависит от относительной силы оснований и представляется следующим образом:

Процесс диссоциации слабой кислоты и слабого основания, согласно этой теории, может быть представлен следующими схемами:

Слабая кислота:

Слабое основание:

Сила кислот и оснований зависит от природы растворителя. В растворе жидкого аммиака, отличающемся сильноосновными свойствами, все кислоты полностью диссоциированы. В среде других растворителей, отличающихся менее выраженным акцепторным характером, т. е. не отличающихся основным характером, диссоциация кислот неполная.

Основным недостатком теории Бренстеда является то, что эта теория исключает возможность проявления кислотного характера веществами, не содержащими водорода.

Теория Льюиса. Согласно теории Льюиса, придерживающегося взгляда, что свойства кислот и оснований объясняются их строением, основанием является химическое соединение, обладающее неподеленной свободной парой электронов, склонной к образованию устойчивой электронной группировки (октета) другого атома. Согласно этой теории аммиак является основанием, потому что его молекула обладает указанной парой электронов.

Кислотой является вещество, в молекуле которого не хватает пары электронов до устойчивой электронной группировки и которое склонно к обобществлению свободной пары электронов основания, сопровождающемуся образованием устойчивого электронного октета. С этой точки зрения хлорид бора (III), строение которого является кислотой.

Следовательно, основания являются донорами, а кислоты акцепторами пары электронов; реакция нейтрализации сопровождается образованием ковалентной связи за счет общей свободной пары электронов основания:

Образование координационной ковалентной связи является первичным процессом нейтрализации, за которым может следовать ионизация и диссоциация, например: