8

Глава 8. Заключение. Роль протонной теории в химии и химической технологии

Изложенные в главах 2-7 качественный и количественный аспекты протонной теории кислот и оснований показывают, что по сравнению с идеей Аррениуса эта теория обладает большей универсальностью в описании кислотно-основного поведения веществ. Эта универсальность заключается в следующем.

Протонная теория рассматривает присущие веществам кислотные и оснόвные свойства вне зависимости от их агрегатного состояния и применяемого растворителя. Взаимодействие может происходить в газовой, жидкой и твердой фазах между индивидуальными веществами и в растворах любого растворителя.

В соответствии с определениями протонной теории вещества классифицируются как кислоты и основания только тогда, когда они проявляют указанные функции по отношению к партнеру в реакции протолиза.
Вещество HNO₃ в водном растворе - это кислота, но не из-за того, что оно относится к типу кислотных гидроксидов, а потому, что при протолизе является донором протонов по отношению к воде. В другом растворителе, например, фтороводороде, это вещество будет уже основанием:

HNO_3(s) + HF H₂NO₃⁺_(s) + F^-_(s)

В уравнения протолитических реакций в растворах всегда входит формула протонного растворителя, который непосредственно участвует в таких реакциях. Более того, именно кислотно-оснόвные свойства растворителя являются эталоном сравнения кислотности и основности растворенных веществ.

В рамки протонной теории укладываются все те протолиты, которые можно растворить в данном растворителе, независимо от их природы и заряда их частиц (это могут быть молекулы ковалентных веществ или частицы, образующие ионные кристаллы). Их взаимодействие с растворителем изображается уравнениями единого вида и называется одинаково - протолитической реакцией.

Протонная теория значительно расширяет набор кислот и оснований в любом растворителе. В частности, в воде набор кислот и оснований не ограничивается нейтральными частицами (это хотя и распространенный, но все-таки лишь частный случай).

С количественной точки зрения все обратимые протолитические реакции в растворах характеризуются одной физической величиной - константой кислотности K_к, отражающей относительную кислотность (и основность) всех протолитов в данном растворителе.

Итак, протонная теория кислот и оснований дала уникальную возможность качественного и количественного описания кислотно-оснόвных равновесий во всех протонных растворителях. В этом отношении протонная теория Брёнстеда - Лаури находится на том же уровне обобщения описаний химического взаимодействия, что и электронная теория окислительно-восстановительных реакций. Протонная теория подготовила химическую науку к практическому использованию разных растворителей наравне с водой и направила усилия ученых в сторону разработки технологии синтеза соединений с применением неводных сред. Выводы и положения протонной теории кислот и оснований становятся необходимыми современному инженеру-исследователю, разрабатывающему технологию различных процессов во всевозможных растворителях.

Применение неводных растворителей в современной лабораторно-заводской практике расширяется с каждым днем. Использование таких жидких растворителей, как аммиак, фтороводород, уксусная кислота и других идет уже в промышленном масштабе. В неводных средах можно успешно получать такие вещества, которые иным способом синтезировать невозможно. Это безводные сульфиды щелочных металлов, применяемые в технологии изготовления полупроводниковых материалов и светящихся составов, различные полупродукты множества органических синтезов, например, фтор- и хлорсульфоновая кислоты HSO₃F и HSO₃Cl, соединения титана(IV) и циркония(IV) типа Ti(NO₃)₄ и Zr(SO₄)₂, гидридные комплексы типа Li[AlH₄], гидроксид серебра AgOH и многие другие химические соединения.
Неводные растворители позволяют, с одной стороны, дифференцировать по силе те кислоты и основания, у которых кислотность или основность нивелирована в водном растворе. Так, например, хлорная кислота HClO₄ и азотная кислота HNO₃ в водном растворе ведут себя как одинаково сильные кислоты, нацело подвергаясь протолизу, но в неводном растворителе - уксусной кислоте CH₃COOH, судя по значениям констант кислотности, азотная кислота становится в 30952 раза слабее хлорной.
С другой стороны, неводные растворители способны усилить протолитические способности разных веществ (по сравнению с водным раствором), и вызвать появление кислотно-оснόвных свойств у тех веществ, которые в водной среде ведут себя как непротолиты.
Так, анилин C₆H₅NH₂ в воде - весьма слабое основание с константой основности 3,8 ^. 10^-10 (при 25 °С), но в муравьиной кислоте он становится очень сильным акцептором протонов (K_о = 0,36).

С помощью неводных растворителей - безводного фтороводорода HF и жидкого аммиака NH₃ удалось "расшатать" даже чрезвычайно устойчивую молекулу бензола С₆H₆, который считается классическим примером вещества-непротолита. Во фтороводороде бензол становится основанием:

С₆H₆ + HF С₆H₆H⁺ + F^- ; K_о = 1,0 ^. 10^-8 (20 °C)

а в жидком аммиаке - кислотой:

С₆H₆ + NH₃ С₆H₅^- + NH₄⁺ ; K_к = 5,0 ^. 10^-12 (-33,4 °C)

В изучении химии неводных растворителей достигнуты немалые успехи, но она все еще таит в себе много неожиданного и ждет новых исследователей. Дальнейшие исследования в этом направлении несомненно сыграют большую роль в формировании единой физико-химической теории растворов кислот и оснований.

Список литературы >>>

Задания для самоподготовки >>>

Содержание >>>

Заглавная страница >>>