Первая теория, разделившая вещества на кислоты и основания, была предложена Аррениусом. Согласно Аррениусу, кислоты – это вещества, при диссоциации которых в водном растворе образуются ионы водорода H+, а основания – вещества, при диссоциации которых образуются ионы гидроксила OH-. Однако данная теория оказалась несостоятельной, так как не учитывала взаимодействия частиц растворенного вещества с растворителем. Так, например, невозможно было, опираясь на теорию Аррениуса, объяснить, почему при растворении некоторых солей в воде среда могла быть кислой или щелочной, а при переходе к неводным растворителям многие вещества полностью изменяли свои кислотно-основные свойства. Разрешить данные противоречия пытались многие ученые. В начале XX века практически одновременно появились две теории кислот и оснований: теория Бренстеда–Лоури и теория Льюиса, развитая позднее Пирсоном. Наиболее общей теорией кислот и оснований является теория Усановича. Однако, круг явлений, с которыми сталкивается аналитическая химия, наиболее удовлетворительно описывается с позиций протолитической теории Бренстеда–Лоури. Эта теория удачно объясняет практически все процессы в растворах, а при рассмотрении неводных систем данная теория получила всеобщее признание.
4.1. Основные теории кислот и оснований
Теория Льюиса. По Льюису кислоты – вещества, принимающие пару электронов, основания – вещества, отдающие ее. При этом образуются ковалентные связи. В класс кислот попадают молекулы, образованные атомами с незаполненной восьмиэлектронной оболочкой (BF3, SO3), катионы-комплексообразователи (Fe3+, Co2+ и др.), галогениды с ненасыщенными связями (TiCl4), молекулы с поляризованными двойными связями (CO2, SO2); в класс оснований – молекулы, содержащие свободные электронные пары (NH3, H2O), анионы, органические соединения с двойными и тройными связями, ароматические соединения.
Расширив классы веществ, теория Льюиса не смогла дать главного для химии: количественного критерия оценки силы кислот и оснований, который мог бы служить основой для аналитических расчетов кислотно-основных равновесий, например, определение рН.
Теория Пирсона. При взаимодействии кислоты-акцептора пары электронов с основанием-донором пары электронов не обязательно должна образовываться ковалентная связь, а могут возникать ионная и координационная связи. Согласно данной теории в круг кислотно-основных реакций включаются реакции комплексообразования. Теория Усановича. Кислоты – вещества, отдающие катионы или принимающие анионы (или электроны), основания – вещества, отдающие анионы (или электроны) и принимающие катионы. При такой формулировке в классы кислот и оснований включаются кислоты и основания Льюиса, окислители и восстановители.
4.2. Протолитическая теория кислот и оснований Теория Бренстеда–Лоури дает наиболее общие представления о кислотах и основаниях. Согласно данной теории кислоты – вещества или ионы, способные отдавать ион водорода (протон), основания – вещества или ионы, способные принимать протоны. Есть вещества, способные быть и донорами, и акцепторами протонов, их называют амфолитами. Кислоты и основания могут быть молекулярными, катионными и анионными (табл. 3, 4).
Таблица 3
Кислоты (по теории Бренстеда–Лоури)
Тип кислоты
| Пример | Реакция кислотно-основного взаимодействия в водном растворе
| Молекулярные кислоты
| HCl, H2CO3, HNO3, HCOOH, H2S
| H2S + H2O HS- + H3O+
К-та1 осн2 осн1 к-та2 | Катионные кислоты
| NH4+, C2H5OH2, [Zn(H2O)6]2+, H3O+
| NH4+ + H2O NH3 + H3O+
К-та1 осн2 осн1 к-та2 | Анионные кислоты
| HSO4-, HCO3-, HC2O4-
| HCO3- + H2O CO32- + H3O+
К-та1 осн2 осн1 к-та2 | |