8.2.2. Протонная (протолитическая) теория

Согласно этой теории, кислотой является частица (молекула или ион), способная отдавать протон (Н⁺), а основанием является частица (молекула или ион), способная присоединять протон. Например, при взаимодействии азотистой кислоты с водой:

HNO₂ + H₂O ⇄ H₃O⁺ + NO₂^–

HNO₂ – донор протонов, т. е. кислота, а вода – основание, т. е. акцептор протонов, превращающаяся в кислоту.

Процесс передачи протона от кислоты к основанию называется протолизом, а ионно-молекулярное равновесие, устанавливающееся после передачи протона, – протолитическим, или кислотно-основным. Кислоты и основания, соответственно теряющие и приобретающие протоны, называются протолитами.

Основание и кислота, участвующие в таком процессе, называются сопряженными.

В протолитическом равновесии всегда принимают участие 2 сопряженные кислотно-основные пары «кислота – основание», как в приведенном выше примере HNO₂ – NO₂^– и Н₃О⁺ – Н₂О. Кислота HNO₂, передав свой протон основанию Н₂О, превращается в сопряженное с ней основание NO₂^–, а основание Н₂О, получив протоны, образует сопряженную кислоту Н₃О⁺. Таким образом, кислотами и основаниями могут быть не только молекулы, но и ионы.

По протолитической теории кислоты разделяются на 3 типа: 1) нейтральные кислоты, например HCl, H₂SO₄; 2) анионные кислоты, например HSO₄^–, НРО₄^2–; 3) катионные кислоты, например NH₄⁺, Н₃О⁺.

Аналогичная классификация может быть дана и для оснований: нейтральные (Н₂О, NH₃, С₆Н₅NН₂), анионные (Cl^–, ОН^–, NО₃^–, СО₃^2–, РО₄^3–), катионные (H₂N–NH₃⁺).

Пример протолитического равновесия:

СО₃^2– + Н₂О ⇄ НСО₃^– + ОН^–.

Основаниями являются ионы СО₃^2– и ОН^– – акцепторы протонов, а кислотами – Н₂О и НСО₃^– – доноры протонов.

Протолиты, способные к присоединению и отдаче протонов, называются амфолитами, или амфипротонными веществами. К числу амфолитов принадлежат: вода, почти все гидроанионы (НСО₃^–, НРО₄^2–, НS^– и др.) и соли, образованные слабой кислотой и слабым основанием (СН₃СООNH₄, NН₄CN, (NH₄)₂СО₃ и др.). В частности, гидрокарбонат-ион может участвовать в двух реакциях протолиза:

НСО₃^– + Н₂О ⇄ Н₃О⁺ + СО₃^2–;

НСО₃^– + Н₂О ⇄ Н₂СО₃ + ОН^–.

Однако амфолиту НСО₃^– более свойственны функции основания. Водный раствор ацетата аммония содержит ионы NH₄⁺ и СН₃СОО^–. Ион NН₄⁺ является донором протонов, а ацетат-ион – их акцептором:

NH₄⁺ + 2H₂O ⇄ NH₃H₂O + H₃O⁺;

CH₃СОО^– + Н₂О ⇄ СН₃СООН + ОН^–.

8.2.3. Электронная теория (теория Льюиса)

Согласно электронной теории, основания – это соединения, поставляющие электронные пары для образования химической связи, т. е. доноры электронных пар; кислота – вещество, принимающее электронные пары, т. е. акцептор электронных пар. Кислотно-основное взаимодействие, согласно электронной теории, заключается в образовании связи по донорно-акцепторному механизму. В результате взаимодействия кислоты с основанием образуются солеподобные вещества, называемые аддуктами. Часто (но не всегда) их удается выделить как индивидуальные соединения. Примеры реакций, которые согласно электронной теории представляют собой кислотно-основные взаимодействия:

:NН₃ + HCl  [NH₄]⁺Cl^– (1)

основание кислота

(СН₃)₃N: + ВСl₃  (СН₃)₃N:BCl₃ (2)

основание кислота

:ОН^– + Н⁺  НОН (3)

основание кислота

(С₂Н₅)₂О: + BF₃  (С₂Н₅)₂О:ВF₃ (4)

основание кислота

Н₂О: + SО₃  H₂[SO₄] (5)

основание кислота

2:NH₃ + Ag⁺  [Ag(NH₃)₂]⁺ (6)

основание кислота

Таким образом, электронная теория Льюиса рассматривает: нейтрализацию в водных растворах (реакции 1, 3), взаимодействие аминов (2) и эфиров (4) с галогенидами бора, комплексообразование (6), реакции ангидридов с водой (5) как сходные процессы.

Вещества, являющиеся донорами электронных пар, называют основаниями Льюиса, а акцепторы электронных пар – кислотами Льюиса. К основаниям Льюиса относятся галогенид-ионы, вещества, содержащие аминный азот (аммиак, алифатические и ароматические амины, пиридин и т. п.), кислородсодержащие соединения общей формулы R₂CO (где R – органический радикал или атом галогена). Кислотами Льюиса являются галогениды бора, алюминия, кремния, олова, фосфора, мышьяка, сурьмы и многих других элементов, ионы-комплексообразователи (Ag⁺, Co³⁺, Cr³⁺, Pt²⁺ и др.).