Лекция №5

Тема: Кислотно-основные свойства химических соединений. Теория окислительно-восстановительных реакций

Цель: рассмотреть эволюцию представлений о природе кислот и оснований, основные положения теории ОВР.

План лекции: 1) Современные представления о кислотах и основаниях

2) Основные положения теории Бренстеда-Лоури. Кислотно-основные сопряженные пары

3) Основные положения теории окислительно-восстановительных реакций, методика составления уравнений окислительно-восстановительных реакций.

Любое вещество в определенных условиях может проявлять свойства кислоты и основания по отношению к какому-либо другому веществу, включая и растворитель.

Со времен Аррениуса, по определению которого кислоты в водных растворах диссоциирует на ионы водорода и анионы, а основания диссоциируют на гидроксид-ионы и катионы, круг веществ, участвующих в реакциях кислотно-основного равновесия, значительно расширился. Общепринятными считаются протонная теория Бренстеда–Лоури и электронная теория Льюиса.

Протонная теория Бренстеда–Лоури применима лишь к протонсодержащим или протонприсоединяющим веществам. Согласно этой теории кислотой называется вещество, способное быть донором протонов, а основанием – вещество, которое может присоединить (акцептировать) протон:

По определению, HAn – кислота, An^– – основание, сопряженное с этой кислотой. Любой кислоте соответствует сопряженное с ней основание.

Любое кислотно-основное равновесие включает взаимодействие двух пар сопряженных кислот и оснований.

1

Рисунок 1.

В определенных условиях многие вещества могут вести себя как кислота или как основание. Эти два понятия неразделимы, а потому правильнее говорить о кислотно-основных свойствах данного вещества.

В соответствии с законом действующих масс константы равновесия реакций протолиза сопряженных кислот и оснований в воде связаны между собой простым соотношением

Перемножив константы сопряженных кислот и оснований, получим

Заменив активности и на равновесные концентрации, получим

Произведения констант диссоциации сопряженных кислот и оснований в водных растворах равно ионному произведению воды. По известным K_K(K_осн) можно легко найти значения сопряженных K_В.

Электронная теория Льюиса допускает, что участие в кислотно-основном равновесии протона необязательно, поэтому ее называют апротонной. Согласно апротонной (электронной) теории, кислотой называется вещество, способное присоединять электронную пару, а основанием – вещество, способное отдавать электронную пару.

При взаимодействии донора электронной пары: NF₃ (кислота) и акцептора электронной пары BF₃ (основание) образуется более устойчивое электронное окружение (октет) за счет донорно-акцепторной (двухэлектронной двухцентровой) связи.

2

Рисунок 2.

Ни кислота, ни основание протонов не содержат.

Эта концепция расширяет границы веществ, проявляющих кислотно-основные свойства, включая в себя протонотдающие и протонприсоединяющие системы.

В периоде сила кислородсодержащей кислоты растет с увеличением заряда и с уменьшением радиуса иона кислотообразующего элемента:

Для одного и того же элемента константа диссоциации различных кислот возрастает по мере увеличения степени окисления кислотообразующего элемента примерно на пять порядков каждый раз.

В пределах одной группы элементов сила кислоты уменьшается по мере увеличения радиуса кислотообразующего элемента:

Для многоосновных кислот способность к депротонизации уменьшается по мере увеличения отрицательного заряда аниона:

При этом константа диссоциации каждой последующей ступени уменьшается примерно на пять порядков:

K1 : K2 : K3 = 1 : 10–5 : 10–10.

Теория окислительно-восстановительных реакций.

Окислительно-восстановительные реакции являются основой жизни на

Земле. С ними связано дыхание и обмен веществ в живых организмах, фотосинтез в зеленых частях растений и нервная деятельность человека и животных. Их можно наблюдать при сгорании топлива, в процессах коррозии металлов и электролиза. С помощью окислительно-восстановительных реакций получают металлы, органические и неорганические соединения, проводят очистку различных веществ, природных и сточных вод и т. п.

Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) – это реакции,

протекающие с изменением степени окисления элементов и сопровождающиеся переходом электронов.

Таким образом, любая окислительно-восстановительная реакция представляет собой совокупность процессов окисления и восстановления.

Окисление – это процесс отдачи электронов восстановителем:

При окислении элемента степень окисления всегда увеличивается, а

при восстановлении – уменьшается.

Частицы (молекулы, атомы, ионы), которые содержат окисляющиеся

атомы, называются восстановителями.

Частицы (молекулы, атомы, ионы), которые содержат восстанавливающиеся атомы, называются окислителями.

В общем виде окислительно-восстановительную реакцию можно записать следующим образом:

Из приведенных полуреакций видно, что окислитель превращается в

сопряженный восстановитель (продукт восстановления окислителя), а восстановитель – в сопряженный окислитель (продукт окисления восстановителя), образуя окислительно-восстановительную пару. Например, в реакции

HCl⁺¹O + H₂S^2– = HCl^–1 + S⁰↓ + H₂O

окислитель – хлорноватистая кислота HCl⁺¹O, которая восстанавливается до

Cl⁻¹: Cl⁺¹ + 2 ē → Cl⁻, а восстановитель – сероводород H₂S, в котором сульфид-ион S²⁻ окисляется до S⁰: S²⁻ – 2 ē → S⁰.

Окислитель (HClO) образует окислительно-восстановительную пару

HClO/ Cl⁻ , где HClO – окисленная форма, а Cl⁻ – восстановленная форма.

Соответственно окислительно-восстановительная пара восстановителя (H₂S)

S/H₂S, где S – окисленная форма, а H₂S – восстановленная форма.Для характеристики состояния элемента в молекуле введено понятие степени окисления.