7.7. Протолитическое равновесие

Теория электролитической диссоциации (ионизации) не смогла объяснить процессов, которые протекают в неводных средах. Например, хлорид аммония NН₄С1 в водном растворе ведёт себя как соль (диссоциация на ионы NН₄⁺ и Сl^–), а в жидком аммиаке он проявляет свойства кислоты – растворяет металлы с выделением водорода:

2NH₃ + 2Na = 2NaNH₂ + H₂.

Азотная кислота, растворённая в жидком фтороводороде, ведёт себя как основание (см. с. 69).

Эти факты объясняет протолитическая теория кислот и оснований (Брёнстед¹ и Лоури², 1923).

Кислоты – вещества, молекулы или ионы, отщепляющие протоны; основания – вещества, молекулы или ионы, присоединяющие протоны. И те и другие называют протолитами.

Кислота основание + Н⁺.

Кислота и основание этого процесса называются «сопряжёнными» (кислотно-оснóвными парами). Так, ион Н₃О⁺ – кислота, сопряжённая основанию Н₂О:

Свободных протонов Н⁺ в этих растворах нет. Они переходят от кислоты к основанию:

кислота₁ основание₁ + Н⁺;

основание₂ + Н⁺ кислота₂.

Эти два процесса протекают одновременно, и между ними имеется равновесие:

кислота₁ + основание₂ кислота₂ + основание₁.

Например:

НСl + Н₂О Cl^– + Н₃О⁺

(кислота₁) (основание₂) (основание₁) (кислота₂).

Сопряжённые пары: НСl и Сl^–; Н₂О и Н₃О⁺.

Таким образом, кислотно-оснóвное взаимодействие является протолитическим процессом, т. е. процессом передачи протона, в котором участвуют две пары сопряжённых кислот и оснований, при этом кислота – донор, а основание – акцептор протона.

Для азотной кислоты, растворённой в жидком фтороводороде:

НF + НNО₃ F^– + [Н₂NО₃]⁺

(кислота₁) (основание₂) (основание₁) (кислота₂).

Протолитическая теория по сравнению с теорией электролитической диссоциации (ионизации) расширила круг кислот и оснований, включив в него также ионы.

Автопротолиз воды

Рассмотрим самоионизацию воды:

Н₂О Н⁺ + ОН^–.

Протон не существует в растворе в свободном виде, он образует ион Н₃О⁺ (ион гидроксония):

Н⁺ + Н₂О Н₃О⁺ + ОН^–

или

Н₂О + Н₂О ОН^– + Н₃О⁺

Механизм образования иона гидроксония:

6. РАСТВОРЫ.

ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ В РАСТВОРАХ

6.1 Основные понятия. Растворы неэлектролитов

Истинным раствором называется гомогенная система переменного состава, состоящая из двух и более компонентов и продуктов их взаимодействия. От истинных растворов следует отличать коллоидные растворы (сус­пензии, эмульсии, аэрозоли), которые представляют собой многокомпонентные микрогетерогенные системы.

Растворы могут находиться в трёх агрегатных состояниях: газообразном, твёрдом и жидком. Всякий раствор состоит из растворённого вещества и растворителя. Растворителем считают тот компонент, который находится в том же агрегатном состоянии, что и раствор. Если же оба компонента находятся в одинако­вом агрегатном состоянии, то растворителем считается тот ком­понент, который находится в большем количестве.

С термодинамической точки зрения все компоненты раствора равноценны и их деление на растворённое вещество и растворитель является условным.

Жидкие растворы (как и любые жидкости) обладают элементами кристаллической структуры. Для них существует понятие ближнего порядка, то есть каждая частица раствора окружена определённым числом других частиц, расположенных от данной на строго определённых расстояниях. Для более удалённых частиц определённость расстояний не существует, то есть растворы, как и жидкости, не обладают дальним порядком, характерным для кри­сталлов.

Растворы считаются системами, занимающими промежуточное положение между химическими соединениями и механическими смесями.

Раствор, находящийся в равновесии с растворяющимся веществом, (динамическое равновесие), называется насыщенным раствором. Ненасыщенный раствор содержит меньше, а пересыщенный − больше вещества, чем насыщенный.