Учебно-методическое пособие издательство томского университета 2006 удк 543(076. 1): 087. 5 Ббк 24 Ш432 Шелковников В. В



страница5/14
Дата07.01.2013
Размер1.1 Mb.
ТипУчебно-методическое пособие
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   14


Таблица 4

Основания (по теории Бренстеда–Лоури)

Тип основания

Пример


Реакция кислотно-основного взаимодействия в водном растворе

Молекулярные основания

NH3, CH3NH2, C6H5NH2

NH3 + H2O NH4+ + OH-

Осн1 к-та2 к-та1 осн2

Катионные основания

[Al(H2O)5OH]2+ [Zn(H2O)5OH]+

[Zn(H2O)5OH]++H2O [Zn(H2O)5]++OH-


Анионные основания

Cl-, NO2-, HCOO-, CO32-, HCO3-

NO2- + H2O  HNO2 + OH-


Осн1 к-та2 к-та1 осн2

Все реакции кислотно-основного взаимодействия по теории Бренстеда–Лоури состоят в обратимом переносе протона от кислоты к основанию. В результате такого переноса образуется пара новых частиц, одна из которых способна отдавать протон, а другая – его принимать. Таким образом, при взаимодействии кислоты и основания образуются сопряженные с ними кислоты и основания:

HA + B  HB+ + A-

кислота1 основание2 сопряженная сопряженное

кислота2 основание1

Например,

HCOOH + H2O  H3O+ + HCOO-

кислота1 основание2 сопряженная сопряженное

кислота2 основание1

или

H2O + NH3  NH4+ + OH-

кислота1 основание2 сопряженная сопряженное

кислота2 основание1

Все вещества лишь потенциально могут быть кислотами или основаниями. Проявить свои кислотные или основные свойства они могут лишь в протолитической реакции. Одним из компонентов протолитической реакции может быть растворитель, поэтому существенным достоинством протолитической теории является учет влияния растворителя на процесс кислотно-основного взаимодействия. Растворитель рассматривается не только как физическая среда с определенным значением диэлектрической проницаемости, но и как вещество, которое химически реагирует с кислотой или основанием.


При взаимодействии кислоты HA с растворителем S протекает реакция

HA + S  HS+ + A-

Это взаимодействие является результатом протекания двух сопряженных реакций: реакции отщепления протона от кислоты и реакции его присоединения молекулой растворителя, выступающей в данном случае в роли основания

HA  H+ + A-

S + H+  HS+

Следовательно, суммарная константа протолитического равновесия определяется отношением двух констант:

и

.

Это означает, что возможность кислоты диссоциировать в данном растворителе определяется способностью кислоты к отщеплению протона и способностью основания к его присоединению.

4.3. Ионное произведение воды
Наиболее важным из всех растворителей является вода. Вода, являясь слабым электролитом, в незначительной степени подвергается ионизации с образованием ионов гидроксония и гидроксила:

H2O + H2O ⇄ H3O+ + OH-.

По закону действия масс константу равновесия процесса ионизации воды можно записать в виде:



Измерение электропроводности чистой воды показало, что концентрации [OH-]=[H3O+]=1.10-7 моль/л, а концентрация чистой воды равна [H2O]=1000/18=55,56 моль/л. Тогда константа ионизации воды может быть легко рассчитана по закону действия масс:



Диссоциация воды очень незначительна, поэтому концентрацию ее можно считать практически неизменной и вывести в константу, тогда

,

т.е. произведение концентрации ионов воды есть величина постоянная при данной температуре. Ее называют ионным произведением воды и обозначают Kw.

Диссоциация воды возрастает с повышением температуры. Так при 99–100 ºС ионное произведение воды равно 1.10-12, а концентрации ионов гидроксония и гидроксила равна 1.10-6.

Соотношение концентраций ионов гидроксония и гидроксила определяет кислотность среды:

если [H3O+]>[OH-] – среда кислая;

если [H3O+]<[OH-] – среда щелочная;

если [H3O+]=[OH-] – среда нейтральная.

Так как концентрации ионов гидроксония и гидроксила в нейтральном растворе равны 1.10-7 моль/л – величине очень маленькой, то кислотность раствора целесообразно характеризовать не концентрацией, а водородным или гидроксильным показателем (отрицательным логарифмом концентрации):

pН=-lg[H3O+] или pOH=-lg[OH-] .

В соответствии с этим, характер среды водных растворов можно определить следующими значениями рН:

pН<7 – среда кислая;

pH=7 – среда нейтральная;

pH>7 – среда щелочная.

Если прологарифмировать выражение для ионного произведения воды и умножить левую и правую части на –1, то можно получить выражение, связывающее рН и рOH раствора:





Так как в реальных растворах существуют межионные взаимодействия, кислотность среды нужно характеризовать не концентрацией ионов водорода (гидроксония), а их активностью, поэтому для рН раствора можно дать следующие определение: рН – это отрицательный логарифм активности ионов водорода:


4.4. Сила кислот и оснований
Способность кислоты отдавать протон, а основания – его принимать, можно охарактеризовать константами равновесий, которые называют соответственно константой кислотности (константой ионизации кислоты) Ka и константой основности (константой ионизации основания) Kb.

и ,

или, с учетом влияния растворителя и постоянства его активности,

и

Константы кислотности и основности сопряженной пары связаны между собой. Перемножив выражения для и , получим выражение:

,

из которого следует, что чем сильнее кислота, тем слабее сопряженное основание.

5. Нивелирующий и дифференцирующий эффекты растворителей



Согласно протолитической теории все растворители подразделяются на протолитические и апротонные. Протолитические растворители бывают протогенными (кислыми), протофильными (основными) и амфипротными (амфотерными).

Таблица 5

Характеристика растворителей

Растворители

Характеристика

Протолитические

Растворители, способные участвовать в реакциях кислотно-основного взаимодействия. Протолитические растворители могут проявлять кислотные, основные или амфотерные свойства

Апротонные

Растворители, не обладающие ни кислотными, ни основными свойствами. В кислотно-основных реакциях данные растворители участия не принимают. К апротонным относятся, например, углеводороды и их галогенопроизводные, бензол, гексан, хлороформ

Протогенные (кислые)

Растворители, обладающие только кислотными свойствами. Данные вещества являются донорами протонов, в них легко диссоциируют основания, а диссоциация кислот затруднена

Протофильные (основные)

Растворители, молекулы которых легко присоединяют протоны. В таких растворителях диссоциация кислот усиливается, а диссоциация оснований заметно ослабевает

Амфипротные (амфотерные)

Растворители, молекулы которых могут, как присоединять, так и отдавать протоны. К ним относятся, например, вода, метанол, этанол, фенолы. В амфипротных растворителях, которые приблизительно в одинаковой степени являются акцепторами и донорами протонов, диссоциируют и кислоты и основания


Приведенная классификация достаточно условна, так как амфотерность присуща большинству протолитических растворителей в определенных условиях.

Важнейшая особенность амфипротных растворителей – способность к передаче протона от одной молекулы растворителя к другой:

2SH + S- ⇄ SH2+.

Такие процессы, в которых одна молекула растворителя проявляет свойства кислоты, а другая – основания, называются реакциями самоионизации растворителя или автопротолизом. Катион, образующийся из молекулы растворителя (SH2+), называется лионий, а анион (S-) – лиат. Для воды ион H3O+ называется гидроксонием, а OH- - гидроксилом.

Характеристикой равновесия автопротолиза служит константа автопротолиза KSH:

.

Величина, равная обозначается рН. Как и для водных растворов, соотношение активностей лиония и лиата определяет реакцию среды:

– среда нейтральная;

– среда кислая;

– среда щелочная.

При взаимодействии с амфипротными растворителями растворенные вещества могут проявлять как кислотные, так и основные свойства, например, мочевина CO(NH2)2, растворяясь в безводной уксусной кислоте, проявляет свойства основания, в жидком аммиаке – свойства кислоты, а ее водные растворы – нейтральны:

NH2CONH2 + CH3COOH(безв.) ⇄NH2CONH3+ + CH3COO-

основание

NH2CONH2 + NH3(безв.) ⇄ NH2CONH- + NH4+

кислота

Важная роль растворителя в кислотно-основных реакциях ярко проявляется в нивелирующем и дифференцирующем эффектах. В соответствии с этим все растворители делят на две группы: нивелирующие растворители и дифференцирующие растворители.

Нивелирующие растворители – это растворители, в которых сохраняется соотношение в силе кислот или оснований, характерное для водных растворов этих электролитов. К нивелирующим растворителям относятся в первую очередь химические соединения, содержащие гидроксильные группы, например, спирты, фенолы и др.

Дифференцирующие растворители – это растворители, в которых проявляется значительное различие в силе кислот и оснований. В этих растворителях соотношение в силе электролитов иное, чем в водных растворах. Обычно такие растворители не обладают четко выраженными свойствами доноров или акцепторов протонов.

Рассмотрим влияние дифференцирующих свойств растворителя на силу кислот и оснований.

При диссоциации кислоты HA в растворителе HS устанавливается равновесие:

HA + HS ⇄ H2S+ + A-.

Для водного раствора равновесие запишется в виде:

HA + H2O ⇄ A- + H3O+.

Данное равновесие является результатом протекания двух сопряженных реакций:

HA ⇄ H+ + A- K1=Ka,

HS + H+ ⇄ H2S+ K2=1/Ka,HS=Kb,HS.

Следовательно, суммарная константа двойного протолитического равновесия, которая является константой кислотной диссоциации кислоты в данном растворителе HS, определяется произведением констант отдельных стадий:



Из данного уравнения следует, что константа диссоциации кислоты HA в растворителе HS зависит как от кислотных свойств кислоты (Ka), так и от основных свойств основания (Kb,HS), то есть диссоциация кислоты будет увеличиваться с увеличением основных свойств растворителя.

При диссоциации основания B в растворителе HS устанавливается равновесие:

B + HS ⇄ S- + HB+.

Для водного раствора равновесие запишется в виде:

B + H2O ⇄ OH- + HB+.

Данное равновесие является результатом протекания двух сопряженных реакций:

B + H+ ⇄ HB+ K1=Kb,

HS ⇄ H+ + S- K2=Ka,HS.

Суммарная константа этих равновесий – константа основной диссоциации основания B в растворителе HS будет равна



Следовательно, диссоциация основания будет возрастать с увеличением кислотных свойств растворителя.

Константы Ka,HS и Kb,HS одной и той же протолитической пары в данном растворителе связаны между собой следующим соотношением:

или

Эта зависимость позволяет оценить силу кислоты или основания в растворителе HS, зная константу диссоциации сопряженного протолита и константу автопротолиза растворителя.

При расчете рН растворов кислот и оснований следует учитывать равновесную концентрацию ионов лиония и лиата, образующихся в результате автопротолиза растворителя, если концентрации частиц соизмеримы. Так, при расчете равновесий в водных растворах реакцию автопротолиза необходимо учитывать, если равновесные концентрации ионов H3O+ или OH- меньше 1.10-6 моль/л.

Пример. Константа диссоциации HCl в безводной уксусной кислоте равна 1.10-5. Оценить силу сопряженного основания, если.

HCl + CH3COOH⇄ CH3COOH2+ + Cl-




6. Расчет рН в кислотно-основных системах
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   14

Похожие:

Учебно-методическое пособие издательство томского университета 2006 удк 543(076. 1): 087. 5 Ббк 24 Ш432 Шелковников В. В iconУчебно-методическое пособие Кемерово 2007 удк 543(076. 1): 378. 147. 227 Ббк г4я73-41 ш 85

Учебно-методическое пособие издательство томского университета 2006 удк 543(076. 1): 087. 5 Ббк 24 Ш432 Шелковников В. В iconУчебно-методическое пособие Издательство Казанского государственного университета 2009 удк 930. 2(075. 8) Ббк 63. 3(2) я73
Данное учебно-методическое пособие предназначено для студентов исторического факультета Казанского государственного университета,...
Учебно-методическое пособие издательство томского университета 2006 удк 543(076. 1): 087. 5 Ббк 24 Ш432 Шелковников В. В iconУчебно-методическое пособие для студентов физико-математических специальностей вузов Балашов 2009 удк 004. 43 Ббк 32. 97
Данное учебно-методическое пособие состоит из лабораторных работ, которые условно можно разбить на несколько частей
Учебно-методическое пособие издательство томского университета 2006 удк 543(076. 1): 087. 5 Ббк 24 Ш432 Шелковников В. В iconУчебно-методическое пособие Кострома 2006 удк 5: 1
Тарковский В. Н. Концепция современного естествознания: учебно-методическое пособие. В. Н. Тарковский.– Кострома: Изд-во кгту, 2006.–...
Учебно-методическое пособие издательство томского университета 2006 удк 543(076. 1): 087. 5 Ббк 24 Ш432 Шелковников В. В iconУчебно-методическое пособие для студентов юридических специальностей тамбов 2006 удк ббк
Охватывает нервная дрожь, другие краснеют или бледнеют, у третьих начинает дрожать голос и т п
Учебно-методическое пособие издательство томского университета 2006 удк 543(076. 1): 087. 5 Ббк 24 Ш432 Шелковников В. В iconУчебно-методическое пособие Йошкар-Ола, 2009 ббк п 6 удк 636 ч 253 Рецензенты: В. К. Тощев, канд с. Х наук, проф. МарГУ
Учебно-методическое пособие предназначено для студентов II курса заочной формы обучения специальности 110401. 65 Зоотехния. Включает...
Учебно-методическое пособие издательство томского университета 2006 удк 543(076. 1): 087. 5 Ббк 24 Ш432 Шелковников В. В iconУчебно-методическое пособие для слушателей идпо издательство Тюменского государственного университета 2007 удк 512. 64 (075. 8)
Охватывают важнейшие понятия, разделы «математической экономики», «финансовой математики»
Учебно-методическое пособие издательство томского университета 2006 удк 543(076. 1): 087. 5 Ббк 24 Ш432 Шелковников В. В iconМетодические рекомендации Томск 2009 ббк 73. 3(0)я73 Печатается по решению к 90 учебно-методического совета Томского государственного
Куликов, С. Б. История науки [Текст]: Методические рекомендации / С. Б. Куликов. – Томск: Издательство Томского государственного...
Учебно-методическое пособие издательство томского университета 2006 удк 543(076. 1): 087. 5 Ббк 24 Ш432 Шелковников В. В iconУчебно-методическое пособие по французскому языку Казань 2012 удк: 811. 133. 1 Ббк: 81. 2 Фр А13
Учебное пособие предназначено для студентов старших курсов языковых факультетов. Пособие содержит подборку аутентичных публицистических...
Учебно-методическое пособие издательство томского университета 2006 удк 543(076. 1): 087. 5 Ббк 24 Ш432 Шелковников В. В iconУчебно-методическое пособие Казань 2006 удк. 316. 4 (075); 11. 07. 13 Ббк 72; 65я73
Охватывает явления в комплексе, а с другой – закрывает, для внешнего наблюдения главные элементы гипотетической картины мира, которой...
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org