Основы химии >> Протонная теория кислот и оснований
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 KB:
KB = [OH−] х [H3O+] = const = f(T)
При 25 °С KB = 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 KK:
KK = [A−] х [H3O+] / [HA] = f(T)
Значение KK определяет силу данной кислоты НА в водном растворе. Условно кислоты со значением KK менее 1 . 10−1 называют слабыми, а со значением KK 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 KO:
KO = {[HA] х [OH−]} / [A−] = f(T)
Значение KO определяет силу данного основания А− в водном растворе. Условно основания со значением KО менее 1 . 10−1 называют слабыми, а со значением KО более 1 . 10−1 - сильными.
Для каждой сопряженной пары кислота HA/основание A- (Кт/Ос) значения KK и KO в водном растворе связаны соотношением:
KK х KO = KB = 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 KB начинает зависеть от количества растворенного вещества.
С разбавлением растворов равновесия протолитических реакций (1) и (2) существенно сдвигаются вправо.
При известной аналитической концентрации протолита co можно рассчитать его степень протолиза a в данном растворе. Например, для кислоты HA используется формула:
aHA = [H3O+] / co
В области разбавленных водных растворов значение KK для равновесия (1) связано со значениями aHA уравнением закона разбавления Оствальда:
KK = a2HA х co / (1 - aHA)
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. | 
