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 °С 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 °С 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 °С [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 °С [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 °С [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.