girniy.ru 1
Лекция № 4 (5)


Теория кислот и оснований.

План:


  1. Сущность теории кислот и оснований Бренстеда – Лаури.

  2. Диссоциация воды шкала pH.

    1. Водородный показатель.




  1. Сущность реакции между любой кислотой и водой была впервые осознана датским химиком Йоханесом Бренстедом и алел химиком Томасом Лаури. Они пришли к выводу, что поведение кислот и оснований можно описывать с учетом способности этих в-в к переносу протонов. В 1923г Бренстед и Лаури независимо друг от друга предложили рассматривать кислоты как в-ва, способные отдавать протон, а в-ва способные принять протон – основаниями. С такой точки зрения при растворении в воде HCl действует как кислота, отдавая протон растворителю. В тоже время растворитель H2O действует как основание, присоединяя протон

Cl – H . . . : O – H → Cl - + [H – O - H] + (1)

| |

H H

Раньше мы применяли термин «основание» к веществам, образующим в водном р-ре избыток ионов OH -. Отметим, однако, что ион OH представляет собой акцептор протонов; он легко реагирует с гидротированным пропаном, образуя воду.

H + (водн) + OH (водн) ↔ H2O (ж) (2)

Подобно этому, нам известно, что водные р-ры аммиака обладают основными свойствами, потому что NH3 реагирует с H2O, образуя NH4 + и OH - .

H2O (ж) + NH3 ↔ NH4 + (водн) + OH (водн) (3)

В этой реакции H2O отдает протон NH3, следовательно H2O играет роль к-ты, а NH3 – основания.

Р-и с переносом протона являются обратимыми. Так ,при смешении NH4 + и OH образуется H2O и NH3.


NH4 + (водн) + OH (водн) ↔ NH3(водн) + H2O(водн) (4)

Это чисто ионное уравнение реакции представляет собой процесс, обратный реакции между H2O и NH3, который описыв ур-ем (3). В обратной р-и, описываемой ур-ем (4), NH4 + играет роль донора протона, а OH - роль акцептора протона. Т.е. если р-я протекает в одном направлении, H2O играет роль кислоты, а OH - роль основания, и наоборот.

Пример показывает, что каждая кислота связана с сопряженным основанием, кот образуется из этой к-ты в результате отщепления от нее протона. Наиб сопряженным основанием для NH4 + явл NH3 , а сопряженным основанием для H2O является OH . Точно также каждое основание имеет сопряженную кислоту, которая образуется из этого основания в рез присоединения к нему протона. Например H2O является сопряженной кислотой основания OH . Кислота и основание, котор, подобно H2O и OH , отличаются только наличием или отсутствием протона, наз сопряженной кислотно-основной парой. Чем легче какая либо кислота отдает протон, тем труднее сопряженное ей основание присоединяет к себе протон. Другими словами чем сильнее кислота, тем слабее сопряженное ей основание, а чем слабее кислота, тем сильнее сопряженное ей основание.

Например, HCl является хорошим донором протона, потому что сопряженное этой кислоте основание Cl притягивает протоны слабее, чем вода. Вследствие этого протон переносится к H2O с образованием H+ (водн).

Например: Циановодородная кислота HCN диссоциирует в воде.

HCN (водн) ↔ H+ (водн) + CN (водн)

в меньшей степени, чем р-р HF такой HCl концентриров . Что является сопряжен с HCl основанием? Сильнее или слабее это основание, чем F-.


Решение: Сопряженным с HCl основанием является CN , котор образуется после переноса протона растворителю. Поскольку HCN диссоциирует в меньшей степени, чем HF, это дает большую большую вероятность протекания обратной реакции. В обратной реакции сопряженное основание CN акцептирует протон от растворителя. Другими словами CN является более сильным сопряженным основанием, чем F - .


  1. В присутствии какой-либо кислоты, напр HCl, вода ведет себя как акцептор протонов, а в присутствии основания, напр NH3, она обладает свойствами донора протонов. Важной особенностью воды является ее способность вести себя как донор протонов и одновременно как акцептор протонов в отношении самой себя. Этот процесс называется самодиссоциацией или автоионизацией.

H – O – H – O ↔ [H – O – H] + + O – H

| | |

H H H

При комнатной температуре лишь примерно одна из каждых 108 молекул находятся в диссициир форме. Как известно в жидкой воде имеются прочные водородные связи , это означает, что атом водорода принадлежит одной молекуле воды, притягив к неподеленной паре электронов на атоме кислорода соседней молек. Ни одна молекула не остается в диссоциир состоянии длительное время, равновесие восстанавливается очень быстро. В среднем перенос протона от одной молекулы H2O к другой молекуле происходит 1000 раз в секунду.

H2O (жидк) ↔ H+ (водн) + OH (водн)

Константа равновесия:

К = ([H+][ OH ]) / [H2O]

Концентр воды в водных р-рах обычно величина приблиз 55 М и в разбавл р-рах остается постоянной. Поэтому принято исключ концентр воды из выражения для константы ее самодиссоциации в водных р-рах.

К [H2O] = K H2O = [H+][ OH ]

Произв двух пост величин К и [H2O] дает постоян K H2O. Это важная константа равновесия называется ионным произведением воды. При 25º С ионн произвед воды K H2O имеет величину 1 * 10 -14.


К [H2O] = [H+][ OH ] = 1 * 10 -14

Выражение применимо не только к чистой воде, но и к водным растворам . Р-р в котором [H+] = [ OH ] называется нейтральным. Но в большинстве р-ров конц ионов H+ и OH совпадают. Если концентр одного возрастает, концентр другого должна уменьшаться так, чтобы их произв по-прежнему оставалось постоянным: в любом случае ионное произв = 1 * 10 -14. В кислотных р-рах велич [H+] > [ OH ], а в основных наоборот.

Задача. Вычисл [H+] и [ OH ] для нейтр водного р-ра при 25º С.

Решение: По определению в нейтр р-ре [H+] = [ OH ]. Обозначим конц каждого из этих ионов в нейтр р-ре через Х, тогда.

[H+][ OH ] = Х * Х = 1 *10 -14

Х = √1 *10 -14 = 1 *10 -7 = [ OH ] = [H+]

Задача. Вычислите конц [H+] а) в р-ре, где [ OH ] = 0,01М, б) в р-ре, где [ OH ] = 2 * 9

-9 М

Решение:

[H+][ OH ] = 1 *10 -14

[H+] = 1 *10 -14 / [ OH ] = 1 *10 -14 / 0,01 = 1 *10 -12 моль/л

Данный р-р является основным, т.к [H+] < [ OH ]

б) в данном случае

[H+] = 1 *10 -14 / 2 * 9 -9 = 5 *10 -6 моль/л

[H+] > [ OH ] кислый


  1. От кислотности или от основности воды очень сильно зависят расположение химич загрязнителей в СВ, скорость координ мет находящихся в воде, а также пригодность водной среды к обитанию в ней рыб и растений.

Концентр иона H+ выростают при наличии водного показателя pH, который определяется отрицательный десятичный логарифм концентр ионов водорода.


pH = -lg[H+] = lg 1 / [H+]

Отметим, что изменению [H+] в 10 раз соотв изменению pH на 1 единицу.


Т.е. для задачи (1) pH = -lg[H+] = -lg (1 *10 -7) = 7

Т.о. pH нейтрального р-ра = 7

Задача 2. в зад 2 [H+] = 1 *10 -12, т.е.

pH = -lg[H+] = -lg (1 *10 -12) = 12

для второго

pH = -lg (5 *10 -6) = -(lg5 + lg10 -6) = 5,3