Эффект выравнивания или выравнивание растворителя относится к влиянию растворителя на свойства кислот и оснований. Сила сильной кислоты ограничивается («выравнивается») основностью растворителя. Аналогично сила сильного основания выравнивается кислотностью растворителя. Когда сильная кислота растворяется в воде, она реагирует с ней, образуя ион гидроксония (H 3 O + ). [2] Примером этого может служить следующая реакция, где «HA» — сильная кислота:
Любая кислота, которая сильнее H 3 O +, реагирует с H 2 O с образованием H 3 O + . Поэтому в H 2 O не существует кислоты сильнее H 3 O + . Например, водная хлорная кислота (HClO 4 ), водная соляная кислота (HCl) и водная азотная кислота (HNO 3 ) полностью ионизированы и являются одинаково сильными кислотами. [3]
Аналогично, когда растворителем является аммиак , самой сильной кислотой является аммоний (NH4 + ) , поэтому HCl и суперкислота оказывают одинаковое подкисляющее действие.
Тот же аргумент применим к основаниям. В воде OH − является самым сильным основанием. Таким образом, хотя амид натрия (NaNH 2 ) является исключительным основанием (pK a NH 3 ~ 33), в воде он не лучше гидроксида натрия. С другой стороны, NaNH 2 является гораздо более основным реагентом в аммиаке, чем NaOH.
Диапазон pH, допустимый для конкретного растворителя, называется окном кислотно-щелочной дискриминации. [1]
Сильные основания являются выравнивающими растворителями для кислот, слабые основания являются дифференцирующими растворителями для кислот. В выравнивающем растворителе многие кислоты полностью диссоциируют и, таким образом, имеют одинаковую силу. Все кислоты имеют тенденцию становиться неразличимыми по силе при растворении в сильноосновных растворителях из-за большего сродства сильных оснований к протонам. Это называется выравнивающим эффектом. [ необходима цитата ]
С другой стороны, в дифференцирующем растворителе различные кислоты диссоциируют в разной степени и, таким образом, имеют разную силу. Например, безводная уксусная кислота (CH 3 COOH) как растворитель является более слабым акцептором протонов, чем вода. Сильные водные кислоты, такие как соляная кислота и хлорная кислота, лишь частично диссоциируют в безводной уксусной кислоте, и их сила не одинакова; фактически, хлорная кислота примерно в 5000 раз сильнее соляной кислоты в этом растворителе. [3] Слабоосновный растворитель, такой как уксусная кислота, имеет меньшую тенденцию принимать протон, чем более сильный основной растворитель, такой как вода . Аналогично слабокислотный растворитель имеет меньшую тенденцию отдавать протоны, чем сильная кислота. [ необходима цитата ]
Из-за выравнивающего эффекта обычных растворителей исследования суперкислот проводятся в более дифференцирующих растворителях, которые являются очень слабоосновными, такими как диоксид серы (сжиженный) и SO2ClF . [ 4]
На основе взаимодействия протонов растворители делятся на четыре типа:
(i) Протофильные растворители: растворители, которые имеют большую тенденцию принимать протоны, т. е. вода, спирт, жидкий аммиак и т. д.
(ii) Протогенные растворители: растворители, которые имеют тенденцию производить протоны, т. е. вода, жидкий хлористый водород, ледяная уксусная кислота и т. д.
(iii) Амфипротные растворители: растворители, которые действуют как протофильные или протогенные, например, вода, аммиак, этиловый спирт и т. д.
(iv) Апротонные растворители : растворители, которые не отдают и не принимают протоны, например, бензол, четыреххлористый углерод, сероуглерод и т. д.
HCl действует как кислота в H 2 O, как более сильная кислота в NH 3 , как слабая кислота в CH 3 COOH, как нейтральная кислота в C 6 H 6 и как слабое основание в HF.