Протонная теория кислот и оснований

Более полно кислотно-основные свойства веществ объясняются протолитической теорией кислот и оснований, создателями этой теории явились одновременно и независимо друг от друга Бренстед (Дания) и Лоури (Англия) в 1923 году.

Согласно этой теории:

кислота – это вещество, стремящееся отдать протон;

основание – вещество, стремящееся присоединить протон.

В теории кислот Бренстеда водородсодержащие соединения, дающие в растворе ионы водорода, остаются кислотами. Протонная концепция кислоты не так сильно отличается от концепции Аррениуса. Однако, различие состоит в том, что по Бренстеду-Лоури, кислота сохраняет свои свойства и в присутствии, и в отсутствии растворителя. Так, HCl есть кислота вследствие того, что она может отдать ион водорода, а не потому, что она отдаёт его в водном растворе.

Определение понятия «основание» по теории Бренстеда-Лоури сильно отличается от определения, которое даёт теория Аррениуса. По Аррениусу основание – соединение, имеющее в своём составе гидроксильные группы и образующее в водном растворе ионы гидроксила. Согласно протонной теории гидроксилсодержащие вещества остаются основаниями, но основаниями являются и такие вещества, как пиридин, аммиак, и многие другие, молекулы и ионы.

Следовательно, ограничения кислотно-основных реакций водной средой больше нет, и такие реакции возможны в любой среде и в отсутствии среды. При протонной трактовке область кислотно-основных реакций сильно расширяется и соответственно исключаются многие недостатки, присущие теории Аррениуса.

Кислота и основание связаны соотношением:

Кислота ↔ Н⁺ + Основание

Например:

HCl ↔ H⁺ + Cl^-

NH₄⁺ ↔ H⁺ + NH₃

кислота протон основание

Кислота является донором протона – протогеном, а основание – его акцептором – протофилом. Таким образом, кислота – это соединение, которое может передать протон другому соединению, а основание – принять протон от другого соединения.

Эти условия записываются в виде соотношения:

кислота ↔ основание + Н⁺

Но это соотношение не характеризует истинную реакцию, так как протон Н⁺ в растворе не существует.

Кислоту и основание, связанные приведённым соотношением, т.е. за счёт обмена протоном, называют сопряженной кислотно-основной парой. Так как

Кислота 1 ↔ сопряженное основание 1 + Н⁺

и

Основание 2 + Н⁺ ↔ Сопряженная кислота 2,

То реакцию между кислотой и основанием можно записать в виде:

Кислота1+ Основание 2↔ Сопряженное основание1 +Сопряженная кислота 2.

Кислота 1 превращается в сопряженное с ней основание, а основание 2 превращается в сопряженную с ним кислоту.

В растворе вещество не может реагировать как кислота, если нет основания-акцептора протона: кислотные взаимодействия – это реакции между кислотами и основаниями. И аналогично: все реакции в растворе с участием основания – это кислотно-основные взаимодействия.

Кислоте NH₄⁺ соответствует сопряженное основание NH₃. Основанию NH₃ соответствует сопряженная кислота NH₄⁺.

При растворении серной кислоты в воде кислота H₂SO₄ отдаёт протон основанию Н₂О с образованием новой кислоты Н₃О⁺ и нового основания HSO₄^-Когда хлористый водород реагирует с аммиаком, кислота HCl отдаёт протон основанию NH₃ с образованием новой кислоты NH₄⁺ и нового основания Cl^-.

H₂SO₄ + H₂O ↔ Н₃О⁺ + HSO₄^-

более сильная более сильное более слабая более слабое

кислота основание кислота основание

HCl + NH₃ ↔ NH₄⁺ + Cl^-

более сильная более сильное более слабая более слабое

кислота основание кислота основание

Согласно теории Бренстеда-Лоури, сила кислоты зависит от её стремления отдать протон, а сила основания – от его стремления связать протон. Серная кислота и хлороводород представляют собой сильные кислоты, поскольку они очень легко отдают протон; напротив, гидросульфат-ион HSO₄^- и хлорид-ион должны быть обязательно слабыми основаниями, поскольку они имеют слабую тенденцию удерживать протон. В каждой из описанных реакций равновесие сдвинуто в сторону образования более слабой кислоты и более слабого основания.