В химии кислотно -основная реакция — это химическая реакция , которая происходит между кислотой и основанием . Она может быть использована для определения pH с помощью титрования . Несколько теоретических основ предоставляют альтернативные концепции механизмов реакции и их применения для решения связанных проблем; они называются кислотно-основными теориями, например, кислотно-основная теория Бренстеда–Лоури .
Их важность становится очевидной при анализе кислотно-основных реакций для газообразных или жидких видов, или когда кислотный или основной характер может быть несколько менее очевиден. Первая из этих концепций была представлена французским химиком Антуаном Лавуазье около 1776 года. [1]
Важно рассматривать модели кислотно-основных реакций как теории, которые дополняют друг друга. [2] Например, текущая модель Льюиса имеет самое широкое определение того, что такое кислота и основание, при этом теория Бренстеда-Лоури является подмножеством того, что такое кислоты и основания, а теория Аррениуса является наиболее ограничительной.
Концепция кислотно-щелочной реакции была впервые предложена в 1754 году Гийомом-Франсуа Руэлем , который ввел в химию слово « основание » для обозначения вещества, которое реагирует с кислотой, образуя твердую форму (в виде соли). Основания в основном горькие по своей природе. [3]
Первая научная концепция кислот и оснований была представлена Лавуазье около 1776 года. Поскольку знания Лавуазье о сильных кислотах в основном ограничивались оксокислотами , такими как HNO 3 ( азотная кислота ) и H 2 SO 4 ( серная кислота ), которые, как правило, содержат центральные атомы в высоких степенях окисления, окруженные кислородом, и поскольку он не был знаком с истинным составом галогеноводородных кислот ( HF , HCl , HBr и HI ), он определил кислоты с точки зрения содержащегося в них кислорода , который он фактически назвал от греческих слов, означающих «кислотообразующий» (от греческого ὀξύς (oxys) «кислый, острый» и γεινομαι (geinomai) «порождать»). Определение Лавуазье продержалось более 30 лет, до статьи 1810 года и последующих лекций сэра Гемфри Дэви , в которых он доказал отсутствие кислорода в сероводороде ( H 2 S ), теллуриде водорода ( H 2 Te ) и галогеноводородных кислотах . Однако Дэви не удалось разработать новую теорию, заключив, что «кислотность зависит не от какого-либо конкретного элементарного вещества, а от особого расположения различных веществ». [4] Одно из заметных изменений кислородной теории было сделано Йенсом Якобом Берцелиусом , который заявил, что кислоты являются оксидами неметаллов, а основания являются оксидами металлов.
В 1838 году Юстус фон Либих предположил, что кислота — это водородсодержащее соединение, водород которого может быть заменен металлом. [5] [6] [7] Это переопределение основывалось на его обширной работе по химическому составу органических кислот , завершив доктринальный сдвиг от кислот на основе кислорода к кислотам на основе водорода, начатый Дэви. Определение Либиха, хотя и полностью эмпирическое, использовалось в течение почти 50 лет до принятия определения Аррениуса. [8]
Первое современное определение кислот и оснований на молекулярном уровне было разработано Сванте Аррениусом . [9] [10] Водородная теория кислот возникла в результате его совместной с Фридрихом Вильгельмом Оствальдом работы 1884 года по установлению присутствия ионов в водном растворе и привела к получению Аррениусом Нобелевской премии по химии в 1903 году.
Согласно определению Аррениуса:
Это вызывает протонирование воды или создание иона гидроксония ( H 3 O + ). [примечание 1] Таким образом, в наше время символ H + интерпретируется как сокращение от H 3 O + , поскольку теперь известно, что голый протон не существует в виде свободной формы в водном растворе. [14] Это форма, которая измеряется индикаторами pH для измерения кислотности или основности раствора.
Определения кислотности и щелочности Аррениуса ограничены водными растворами и недействительны для большинства неводных растворов, и относятся к концентрации ионов растворителя. Согласно этому определению, чистые H 2 SO 4 и HCl, растворенные в толуоле, не являются кислотными, а расплавленный NaOH и растворы амида кальция в жидком аммиаке не являются щелочными. Это привело к разработке теории Бренстеда-Лоури и последующей теории Льюиса для учета этих неводных исключений. [15]
Реакция кислоты с основанием называется реакцией нейтрализации . Продуктами этой реакции являются соль и вода.
В этом традиционном представлении реакция кислотно-щелочной нейтрализации формулируется как реакция двойного замещения . Например, реакция соляной кислоты (HCl) с растворами гидроксида натрия (NaOH) дает раствор хлорида натрия (NaCl) и некоторые дополнительные молекулы воды.
Модификатор ( aq ) в этом уравнении подразумевался Аррениусом, а не был включен явно. Он указывает на то, что вещества растворены в воде. Хотя все три вещества, HCl, NaOH и NaCl, способны существовать в виде чистых соединений, в водных растворах они полностью диссоциируют на водные ионы H + , Cl − , Na + и OH − .
Разрыхлитель используется для того, чтобы тесто для хлеба и тортов «поднялось» за счет создания миллионов крошечных пузырьков углекислого газа . Разрыхлитель не следует путать с пищевой содой , которая представляет собой гидрокарбонат натрия ( NaHCO3 ). Разрыхлитель представляет собой смесь пищевой соды ( гидрокарбоната натрия) и кислых солей. Пузырьки образуются, потому что при смешивании разрыхлителя с водой гидрокарбонат натрия и кислые соли вступают в реакцию, в результате чего образуется газообразный углекислый газ .
Независимо от того, приготовлены ли они коммерчески или в домашних условиях, принципы, лежащие в основе рецептур пекарского порошка, остаются теми же. Реакцию кислоты и основания можно в общем виде представить следующим образом: [16]
Реальные реакции сложнее, потому что кислоты сложные. Например, начиная с бикарбоната натрия и монокальцийфосфата ( Ca(H 2 PO 4 ) 2 ), реакция производит диоксид углерода по следующей стехиометрии : [17]
Типичная формула (по весу) может включать 30% бикарбоната натрия, 5–12% монокальцийфосфата и 21–26% сульфата алюминия и натрия . В качестве альтернативы, коммерческий разрыхлитель может использовать пирофосфат натрия в качестве одного из двух кислотных компонентов вместо сульфата алюминия и натрия. Другой типичной кислотой в таких формулах является винный камень ( KC 4 H 5 O 6 ), производное винной кислоты . [17]
Определение Бренстеда–Лоури, сформулированное в 1923 году независимо Иоганном Николаусом Бренстедом в Дании и Мартином Лоури в Англии [18] [19] , основано на идее протонирования оснований посредством депротонирования кислот, то есть способности кислот «отдавать» ионы водорода ( H + ) – также известные как протоны – основаниям, которые их «принимают». [20] [примечание 2]
Кислотно-основная реакция, таким образом, представляет собой удаление иона водорода из кислоты и его добавление к основанию. [21] Удаление иона водорода из кислоты производит его сопряженное основание , которое является кислотой с удаленным ионом водорода. Принятие протона основанием производит его сопряженную кислоту , которая является основанием с добавленным ионом водорода.
В отличие от предыдущих определений, определение Бренстеда–Лоури не относится к образованию соли и растворителя, а вместо этого к образованию сопряженных кислот и сопряженных оснований , получаемых путем переноса протона от кислоты к основанию. [11] [20] В этом подходе кислоты и основания принципиально отличаются по поведению от солей, которые рассматриваются как электролиты, подчиняющиеся теориям Дебая , Онзагера и других. Кислота и основание реагируют не с образованием соли и растворителя, а с образованием новой кислоты и нового основания. Таким образом, понятие нейтрализации отсутствует. [4] Поведение кислоты и основания Бренстеда–Лоури формально не зависит от какого-либо растворителя, что делает его более всеобъемлющим, чем модель Аррениуса. Расчет pH в модели Аррениуса зависел от растворения щелочей (оснований) в воде ( водный раствор ). Модель Бренстеда–Лоури расширила возможности измерения pH с использованием нерастворимых и растворимых растворов (газообразных, жидких, твердых).
Общая формула кислотно-основных реакций согласно определению Бренстеда–Лоури выглядит следующим образом: где HA представляет кислоту, B представляет основание, BH + представляет сопряженную кислоту B, а A − представляет сопряженное основание HA.
Например, модель Бренстеда–Лоури для диссоциации соляной кислоты (HCl) в водном растворе будет выглядеть следующим образом:
Удаление H + из HCl дает хлорид- ион, Cl − , сопряженное основание кислоты. Добавление H + к H 2 O (действующей как основание) образует ион гидроксония , H 3 O + , сопряженную кислоту основания.
Вода амфотерна , то есть может действовать как кислота и как основание. Модель Бренстеда-Лоури объясняет это, показывая диссоциацию воды на низкие концентрации гидроксония и гидроксид- ионов:
Это уравнение показано на рисунке ниже:
Здесь одна молекула воды действует как кислота, отдавая ион H + и образуя сопряженное основание OH − , а вторая молекула воды действует как основание, принимая ион H + и образуя сопряженную кислоту H 3 O + .
В качестве примера действия воды как кислоты рассмотрим водный раствор пиридина C5H5N .
В этом примере молекула воды расщепляется на ион водорода, который отдается молекуле пиридина, и гидроксид-ион.
В модели Бренстеда–Лоури растворителем не обязательно должна быть вода, как того требует модель Аррениуса «кислота–основание». Например, рассмотрим, что происходит, когда уксусная кислота , CH 3 COOH , растворяется в жидком аммиаке .
Ион H + удаляется из уксусной кислоты, образуя ее сопряженное основание, ион ацетата , CH 3 COO − . Присоединение иона H + к молекуле аммиака растворителя создает его сопряженную кислоту, ион аммония, NH+4.
Модель Бренстеда–Лоури называет водородсодержащие вещества (например, HCl ) кислотами. Таким образом, некоторые вещества, которые многие химики считали кислотами, такие как SO 3 или BCl 3 , исключены из этой классификации из-за отсутствия водорода. Гилберт Н. Льюис писал в 1938 году: «Ограничение группы кислот теми веществами, которые содержат водород, так же серьезно мешает систематическому пониманию химии, как ограничение термина окислитель веществами, содержащими кислород ». [4] Кроме того, KOH и KNH 2 не считаются основаниями Бренстеда, а скорее солями, содержащими основания OH 2 и NH−
2.
Требование водорода Аррениуса и Бренстеда-Лоури было устранено определением кислотно-основных реакций Льюиса, разработанным Гилбертом Н. Льюисом в 1923 году [22] в том же году, что и Бренстед-Лоури, но оно не было разработано им до 1938 года. [4] Вместо определения кислотно-основных реакций в терминах протонов или других связанных веществ, определение Льюиса определяет основание (называемое основанием Льюиса ) как соединение, которое может отдавать электронную пару , а кислоту ( кислоту Льюиса ) как соединение, которое может принимать эту электронную пару. [23]
Например, трифторид бора , BF 3 , является типичной кислотой Льюиса. Он может принимать пару электронов, поскольку имеет вакансию в своем октете . Ион фтора имеет полный октет и может отдавать пару электронов. Таким образом, это типичная реакция кислоты Льюиса, основания Льюиса. Все соединения элементов группы 13 с формулой AX 3 могут вести себя как кислоты Льюиса. Аналогично, соединения элементов группы 15 с формулой DY 3 , такие как амины , NR 3 , и фосфины , PR 3 , могут вести себя как основания Льюиса. Аддукты между ними имеют формулу X 3 A← DY 3 с дативной ковалентной связью , символически показанной как ←, между атомами A (акцептор) и D (донор). Соединения группы 16 с формулой DX 2 также могут действовать как основания Льюиса; таким образом, соединение типа эфира , R 2 O , или тиоэфира , R 2 S , может действовать как основание Льюиса. Определение Льюиса не ограничивается этими примерами. Например, оксид углерода действует как основание Льюиса, когда он образует аддукт с трифторидом бора, с формулой F 3 B←CO .
Аддукты, включающие ионы металлов, называются координационными соединениями; каждый лиганд отдает пару электронов иону металла. [23] Реакцию можно рассматривать как кислотно-основную реакцию, в которой более сильное основание (аммиак) заменяет более слабое (воду).
Определения Льюиса и Бренстеда–Лоури согласуются друг с другом, поскольку в обеих теориях реакция является кислотно-основной.
Одним из ограничений определения Аррениуса является его зависимость от водных растворов. Эдвард Кертис Франклин изучал кислотно-основные реакции в жидком аммиаке в 1905 году и указал на сходство с теорией Аррениуса на основе воды. Альберт Ф. О. Германн , работающий с жидким фосгеном , COCl
2, сформулировал теорию, основанную на растворителях, в 1925 году, тем самым обобщив определение Аррениуса, чтобы охватить апротонные растворители. [24]
Германн указал, что во многих растворах имеются ионы, находящиеся в равновесии с нейтральными молекулами растворителя:
Например, вода и аммиак подвергаются такой диссоциации на гидроксоний и гидроксид , а также аммоний и амид соответственно:
Некоторые апротонные системы также подвергаются такой диссоциации, например, тетраоксид диазота на нитрозоний и нитрат , [примечание 3] трихлорид сурьмы на дихлорантимоний и тетрахлорантимонат, а фосген на хлоркарбоксоний и хлорид :
Растворенное вещество, вызывающее увеличение концентрации сольвониевых ионов и уменьшение концентрации сольватных ионов, определяется как кислота . Растворенное вещество, вызывающее увеличение концентрации сольватных ионов и уменьшение концентрации сольвониевых ионов, определяется как основание .
Таким образом, в жидком аммиаке KNH 2 (поставляющем NH−2) является сильным основанием, а NH 4 NO 3 (поставляющий NH+4) является сильной кислотой. В жидком диоксиде серы ( SO 2 ) тионильные соединения (поставляющие SO 2+ ) ведут себя как кислоты, а сульфиты (поставляющие SO2−3) ведут себя как базы.
Неводные кислотно-основные реакции в жидком аммиаке аналогичны реакциям в воде:
Азотная кислота может быть основанием в жидкой серной кислоте: Уникальная сила этого определения проявляется при описании реакций в апротонных растворителях, например, в жидком N 2 O 4 :
Поскольку определение системы растворителя зависит как от растворенного вещества, так и от самого растворителя, конкретное растворенное вещество может быть либо кислотой, либо основанием в зависимости от выбора растворителя: HClO 4 является сильной кислотой в воде, слабой кислотой в уксусной кислоте и слабым основанием во фторсульфоновой кислоте; эта характеристика теории рассматривалась как сильная и слабая сторона, поскольку некоторые вещества (такие как SO 3 и NH 3 ) рассматривались как кислотные или основные сами по себе. С другой стороны, теория системы растворителя подвергалась критике как слишком общая, чтобы быть полезной. Кроме того, считалось, что в водородных соединениях есть что-то изначально кислотное, свойство, не свойственное неводородным солям сольвония. [4]
Эта кислотно-основная теория была возрождением кислородной теории кислот и оснований, предложенной немецким химиком Германом Люксом [27] [28] в 1939 году, улучшенной Хоконом Флудом около 1947 года [29] и до сих пор используемой в современной геохимии и электрохимии расплавленных солей . Это определение описывает кислоту как акцептор оксид-иона ( O 2− ), а основание как донор оксид-иона. Например: [30]
Эта теория также полезна при систематизации реакций соединений благородных газов , особенно оксидов ксенона, фторидов и оксофторидов. [31]
Михаил Усанович разработал общую теорию, которая не ограничивает кислотность водородсодержащими соединениями, но его подход, опубликованный в 1938 году, был даже более общим, чем теория Льюиса. [4] Теорию Усановича можно обобщить как определение кислоты как всего, что принимает отрицательные виды или отдает положительные, а основания — как обратного. Это определило концепцию окислительно -восстановительных реакций как частный случай кислотно-основных реакций.
Вот некоторые примеры кислотно-основных реакций Усановича:
В 1963 году Ральф Пирсон предложил качественную концепцию, известную как принцип жестких и мягких кислот и оснований . [32] позже сделанную количественной с помощью Роберта Парра в 1984 году . [33] [34] «Жесткий» относится к видам, которые малы, имеют высокие зарядовые состояния и слабо поляризуются. «Мягкий» относится к видам, которые велики, имеют низкие зарядовые состояния и сильно поляризуются. Кислоты и основания взаимодействуют, и наиболее стабильными взаимодействиями являются жестко-жесткие и мягко-мягкие. Эта теория нашла применение в органической и неорганической химии.
Модель ECW, созданная Расселом С. Драго, является количественной моделью, которая описывает и предсказывает прочность взаимодействий кислоты и основания Льюиса, −Δ H . Модель назначает параметры E и C многим кислотам и основаниям Льюиса. Каждая кислота характеризуется E A и C A . Каждое основание также характеризуется своими собственными E B и C B . Параметры E и C относятся, соответственно, к электростатическому и ковалентному вкладу в прочность связей, которые образуют кислота и основание. Уравнение имеет вид
Термин W представляет собой постоянный энергетический вклад для реакции кислота-основание, такой как расщепление димерной кислоты или основания. Уравнение предсказывает изменение кислотных и основных сил. Графические представления уравнения показывают, что не существует единого порядка сил оснований Льюиса или кислот Льюиса. [35]
Реакция сильной кислоты с сильным основанием по сути является количественной реакцией. Например,
В этой реакции ионы натрия и хлорида являются наблюдателями, поскольку реакция нейтрализации не включает их. Со слабыми основаниями добавление кислоты не является количественным, поскольку раствор слабого основания является буферным раствором . Раствор слабой кислоты также является буферным раствором. Когда слабая кислота реагирует со слабым основанием, образуется равновесная смесь. Например, аденин , обозначаемый как AH, может реагировать с ионом гидрофосфата , HPO2−4.
Константу равновесия этой реакции можно вывести из констант кислотной диссоциации аденина и дигидрофосфат-иона.
Обозначение [X] означает «концентрацию X». Если объединить эти два уравнения, исключив концентрацию ионов водорода, получится выражение для константы равновесия K.
Реакция кислота-щелочь является частным случаем реакции кислота-основание, где используемое основание также является щелочью . Когда кислота реагирует с солью щелочного металла (гидроксидом металла), продуктом является соль металла и вода. Реакции кислота-щелочь также являются реакциями нейтрализации .
В общем случае кислотно-щелочные реакции можно упростить до
исключая ионы-зрители .
Кислоты — это в целом чистые вещества, которые содержат катионы водорода ( H + ) или вызывают их образование в растворах. Соляная кислота ( HCl ) и серная кислота ( H2SO4 ) — типичные примеры. В воде они распадаются на ионы:
Щелочь распадается в воде, образуя растворенные гидроксид-ионы: