КИСЛОТЫ И ОСНОВАНИЯ

Кислоты-это вещества, для которых характерны следующие свойства:

1. В чистом виде они являются неэлектролитами, однако становятся электролитами при растворении в воде.

2. Водные растворы кислот изменяют окраску индикаторов.

3. Водные растворы кислот вступают в следующие характерные реакции:

а) реакции с оксидами металлов с образованием соли и воды;

б) реакции с металлами, обладающими повышенной реакционной способностью, с образованием соли и водорода;

в) реакции с карбонатами, при которых образуются соли, диоксид углерода и вода.

Соединения, которые нейтрализуют кислоты, называются основаниями. Не все основания растворимы в воде. Растворимые в воде основания называются щелочами. Водные растворы щелочей являются электролитами. Растворы щелочей также изменяют окраску индикаторов.

В 1884 г. С. Аррениус высказал предположение, что кислота представляет собой вещество, которое диссоциирует с образованием ионов водорода Н 1. Он предположил также, что основания представляют собой вещества, которые диссоциируют в воде с образованием гидроксидных ионов

Хотя теория Аррениуса до сих пор сохранила свою применимость для определенных пелей, ей присущи некоторые ограничения. Например, она не позволяет объяснить наличие основных свойств у некоторых органических веществ, таких, как триэтиламин которые не содержат группы ОН.

Сванте Август Аррениус

Шведский физикохимик С. А. Аррениус (1859-1927) получил в 1903 г. Нобелевскую премию по химии за развитую им теорию электролитической диссоциации. В своей докторской диссертации (Уппсальский университет) Аррениус высказал предположение, что такие «молекулы», как хлорид натрия, самопроизвольно распадаются в растворе, образуя ионы, которые принимают участие в электролизе. Аррениус известен также своей книгой «Образование миров» (Worlds in the Making), опубликованной в 1908 г., в которой он поддерживал предположение, что происхождение жизни на Земле и вообще во Вселенной основано на перемещении в космическом пространстве живых спор.

Теория Бренстеда-Лоури

В 1923 г. Бренстед и Лоури выдвинули новую теорию кислот и оснований, основанную на представлении о переносе протона. Согласно этой теории, кислота представляет собой вещество, состоящее из молекул или ионов доноров протонов (т. к. они отдают протоны), а основание - вещество, состоящее из молекул или ионов-акцепторов протонов они принимают протоны).

Чтобы подробнее разобраться в этой теории, начнем наше рассмотрение со случая сильной кислоты, как, например, соляная кислота. При растворении хлороводорода в воде его молекулы полностью диссоциируют, образуя ионы водорода и хлорид-ионы СГ. Ионы водорода называют также протонами, поскольку каждый такой ион представляет собой просто протон. В растворе эти протоны связываются с молекулами воды, образуя ионы гидроксония Растворение хлороводорода в воде может быть представлено с помощью уравнения

В случае слабой кислоты, как, например, уксусная кислота, молекулы кислоты лишь частично диссоциированы в водном растворе, так что в нем устанавливается равновесие

Но и в этом случае молекулы кислоты тоже донируют (передают) протоны молекулам воды.

Каждая молекула соляной кислоты и уксусной кислоты может донировать только по одному протону. Поэтому они называются однопротонными или одноосновными кислотами (последнее название объясняется тем, что каждая такая кислота имеет только одно сопряженное основание; см. ниже).

Кислота, способная донировать более одного протона, называется много протонной или многоосновной. Например, серная кислота является двухпротонной, потому что она может донировать два протона. Ее называют также двухосновной, потому что она имеет два сопряженных основания, процесс растворения серной кислоты в воде можно представить двумя уравнениями:

или

Сильные основания, такие, как гидроксиды щелочных металлов, полностью ионизируются в воде:

Эти вещества являются основаниями, потому что гидроксидные ионы могут акцептировать (присоединять) ионы водорода:

Эта реакция является общей для всех реакций нейтрализации между кислотами и основаниями в водных растворах. Отметим также, что в водных растворах ионы водорода существуют в гидратированной форме, т.е. в виде ионов гидроксония.

Рассмотрим теперь реакцию между слабым основанием аммиаком и хлоро-водородом в газовой фазе. В этой реакции происходит образование твердого хлорида

аммония:

Реакция, обратная этой, называется реакцией термической диссоциации хлорида аммония. Аммиак представляет собой основание, потому что он акцептирует протон от хлороводорода. Однако следует обратить внимание на то обстоятельство, что в обсуждаемом равновесии не принимают участия ни вода, ни гидроксидные ионы. Таким образом, теория Бренстеда-Лоури охватывает и такие кислотно-основные реакции, которые осуществляются в отсутствие растворителя либо в присутствии неводною растворителя.

Если внимательнее присмотреться к каждому из обсуждавшихся выше равновесий, то обнаружится, что в равновесной смеси всегда присутствуют частицы четырех типов. Пользуясь представлениями теории Бренстеда-Лоури, нетрудно убедиться, что две из этих частиц являются кислотами, а две другие - основаниями. Например,

Эта равновесная смесь состоит из двух следующих сопряженных пар кислот и оснований:

Обратим внимание на то, что в каждой сопряженной паре кислота и основание отличаются друг от друга на один протон. Каждая кислота имеет свое сопряжемте основание. Сильной кислоте всегда соответствует слабое сопряженное основание, а слабой кислоте - сильное сопряженное основание.

Амфотерные вещества

Вещество, способное вступать в реакции, характерные и для кислот, и для оснований, называется амфотерным. В качестве примера амфотерного вещества приведем гидроксид цинка. Гидроксид цинка реагирует с соляной кислотой как основание:

Однако с гидроксидом натрия гидроксид цинка реагирует как кислота, образуя соединение, которое называется тетрагидроксоцинкат натрия.

В рамках теории Бренстеда-Лоури вода может рассматриваться и как кислота, и как основание. В равновесии с уксусной кислотой (см. приведенное выше уравнение ) вода, несомненно, ведет себя как основание. Однако в следующем равновесии она ведет себя как кислота:

Таким образом, вода может образовывать две сопряженные пары:

Поскольку вода может в одних случаях донировать протон, а в других случаях ацептировать его, ее иногда называют амфипротонной. Проявляет ли она свойства кислоты либо основания - зависит от того, с какими веществами она взаимодействует.

Льюисовы кислоты и основания

В 1938 г. американский химик Г. Н. Льюис создал теорию, в которой понятия «кислота» и «основание» имеют еще более широкий смысл, чем в теории Бренстеда-Лоури. Согласно Льюису, кислота - это вещество, которое способно образовывать ковалентную связь, акцептируя электронную пару от основания, а основание - это вещество, обладающее неподеленной электронной парой, донируя которую, оно может образовывать ковалентную связь с каким-либо атомом, молекулой или ионом.

Ковалентную связь, образуемую в результате донирования электронной пары, часто называют координационной или донорно-акцепторной связью и схематически изображают стрелкой, направленной от атома, который донирует неподеленную электронную пару, к атому, который акцептирует ее (см. разд. 2.1).

Реакция между трифторидом бора и аммиаком является классическим примером реакции между льюисовой кислотой и льюисовым основанием:

Таким образом, теория Льюиса расширяет круг кислотно-основных реакций, включая в них такие реакции, в которых вовсе не принимают участия протоны. Сам по себе протон тоже может рассматриваться как пример льюисовой кислоты, так как он способен акцептировать электронную пару

Кислота Льюиса Основание Льюиса

Льюисовы кислоты включают катионы, а льюисовы основания - анионы, как можно убедиться из следующих примеров:

Многие льюисовы кислоты можно титровать различными льюисовыми основаниями, пользуясь удобными для этого индикаторами, точно так же, как проводится титрование обычных кислот обычными основаниями.

Приведенные выше примеры показывают, что льюисовы кислоты и льюисовы

основания играют важную роль в образовании комплексных ионов (см. гл. 14). Не менее важную роль они играют и в реакциях нуклеофильного замещения в органической химии (см. гл. 17).