Кислоти, основи, солі в світлі теорії електролітичної дисоціації. Протолітична теорія кислот і основ.
Розглянемо у світлі теорії електролітичної дисоціації властивості речовин, які у водних розчинах виявляють властивості електролітів. Кислоти. Для кислот характерні наступні загальні властивості: здатність взаємодіяти з основами з утворенням солей; здатність взаємодіяти з деякими металами з виділенням водню; здатність змінювати кольори індикаторів, зокрема, викликати червоне забарвлення лакмусу; кислий смак. При дисоціації будь-якої кислоти утворюються іони водню. Тому всі властивості, які є загальними для водних розчинів кислот, ми повинні пояснити присутністю гідратованих іонів водню. Це вони викликають червоний колір лакмусу, повідомляють кислот кислий смак і т.д. З усуненням іонів водню, наприклад при нейтралізації, зникають і кислотні властивості. Тому теорія електролітичної дисоціації визначає кислоти як електроліти, диссоциирующие в розчинах з утворенням іонів водню. У сильних кислот, диссоциирующих без остачі, властивості кислот проявляються в більшій мірі, у слабких — меншою. Чим краще кислота дисоціює, тобто чим більше її константа дисоціації, тим вона сильніша. Величини констант дисоціації кислот змінюються в дуже широких межах. Зокрема, константа дисоціації ціановодорода багато менше, ніж оцтової кислоти. І хоча обидві ці кислоти — слабкі, все ж оцтова кислота значно сильніше ціановодорода. Величини першої та другої констант дисоціації сірчаної кислоти показують, що стосовно першого ступеня дисоціації H 2 SO 4 — сильна кислота, а щодо другої — слабка. Кислоти, константи дисоціації яких лежать в інтервалі 10 -4 — 10 -2, іноді називають кислотами середньої сили. До них, зокрема, відносяться ортофосфорна і сірчиста кислоти (щодо дисоціації за першого ступеня). Підстави. Водні розчини підстав володіють такими загальними властивостями: здатністю взаємодіяти з кислотами з утворенням солей; здатністю змінювати кольори індикаторів інакше, ніж їх змінюють кислоти (наприклад, вони викликають синє забарвлення лакмусу); Своєрідним «мильною» смаком. Оскільки спільним для всіх розчинів підстав є присутність у них гідроксид-іонів, то ясно, що носієм основних властивостей є гідроксид-іон. Тому з точки зору теорії електролітичної дисоціації підстави — це електроліти, диссоциирующие в розчинах з відщепленням гідроксид-іонів. Сила підстав, як і сила кислот, залежить від величини константи дисоціації. Чим більше константа дисоціації даної підстави, тим воно сильніше. Існують гідроксиди, здатні вступати у взаємодію і утворювати солі не тільки з кислотами, але і з основами. До таких гідроксиду належить гідроксид цинку. При взаємодії його, наприклад, з соляною кислотою виходить хлорид цинку: Zn (OH) 2 + 2 НС l = ZnС l 2 + 2 Н 2 О а при взаємодії з гідроксидом натрію — цінкат натрію: Zn (OH) 2 + 2 NaOH = Na 2 ZnО 2 + 2 Н 2 О Гідроксиди, які володіють цією властивістю, називаються амфотерними гідроксидами або амфотерними електролітами. До таких гідроксиду, крім гідроксиду цинку, відносяться гідроксиди алюмінію, хрому і деякі інші. Явище амфотерности пояснюється тим, що в молекулах амфотерних електролітів міцність зв’язку між металом і киснем незначно відрізняється від міцності зв’язку між киснем і воднем. Дисоціація таких молекул можлива, отже, по місцях обох цих зв’язків. Якщо позначити амфотерний електроліт формулою ROH, то його дисоціацію можна виразити схемою Н + + RO — ↔ ROH ↔ R + + OH - Таким чином, у розчині амфотерного електроліту існує складна рівновага, в якому беруть участь продукти дисоціації як за типом кислоти, так і за типом підстави. Явище амфотерности спостерігається також серед деяких органічних сполук. Важливу роль воно відіграє у біологічної хімії; наприклад, білки — амфотерні електроліти. Солі. Солі можна визначити як електроліти, які при розчиненні у воді дисоціюють, отщепляя позитивні іони, відмінні від іонів водню, і негативні іони, відмінні від гідроксид-іонів. Таких іонів, які були б спільними для водних розчинів усіх солей, немає, тому солі і не володіють загальними властивостями. Як правило, солі добре дисоціюють, і тим краще, чим менше заряди іонів, які утворюють сіль. При розчиненні кислих солей у розчині утворюються катіони металу, складні аніони кислотного залишку, а також іони, що є продуктами дисоціації цього складного кислотного залишку, у тому числі іони Н +. Наприклад, при розчиненні гідрокарбонату натрію дисоціація протікає відповідно до наступних рівнянь: NaHCO 3 = Na + + HCO 3 - HCO 3 — = Н + + CO 3 2 - При дисоціації основних солей утворюються аніони кислоти і складні катіони, що складаються з металу і гидроксогрупп. Ці складні катіони також здатні до дисоціації. Тому в розчині основної солі присутні іони ОН -. Наприклад, при розчиненні хлориду гідроксомагнія дисоціації протікає відповідно до рівнянь: MgOHCl = MgOH + + З l - MgOH + = Mg 2 + + ОН - Таким чином, теорія електролітичної дисоціації пояснює загальні властивості кислот присутністю в їх розчинах іонів водню, а загальні властивості підстав — присутністю в їх розчинах гідроксид-іонів. Це пояснення не є, однак, загальним. Відомі хімічні реакції, що протікають за участю кислот і підстав, до яких теорія електролітичної дисоціації непридатна: Зокрема, кислоти і підстави можуть реагувати один з одним, не будучи дисоційований на іони. Так, безводний хлороводень, що складається тільки з молекул, легко реагує з безводними підставами. Крім того, відомі речовини, які не мають у своєму складі гидроксогрупп, але проявляють властивості основ. Наприклад, аміак взаємодіє з кислотами і утворює солі (солі амонію), хоча в його складі немає груп ОН. Так, з хлороводородом він утворює типову сіль — хлорид амонію: NH 3 + HC1 = NH 4 C1 Вивчення подібного роду реакцій, а також реакцій, що протікають у неводних середовищах, призвело до створення більш загальних уявлень про кислотах і підставах. До найважливіших з сучасних теорій кислот і підстав належить протонна теорія, висунута в 1923 р. Згідно протонної теорії, кислотою є донор протона, тобто частка (молекула або іон), яка здатна віддавати іон водню — протон, а підставою — акцептор протона, тобто частка (молекула або іон), здатна приєднувати протон. Співвідношення між кислотою і підставою визначається схемою: Підстава + Протон ↔ Кислота Пов’язані цим співвідношенням підставу і кислота називаються сполученими. Наприклад, іон HSO 4 — є підставою, сполученим кислоті H 2 SO 4. Реакцію між кислотою і підставою протонна теорія являє схемою: (Кислота) 1 + (Підстава) 2 = (Кислота) 2 + (Підстава) 1 Наприклад, в реакції HC1 + NH 3 = NH 3 + + З l - іон З l — підстава, поєднане кислоті НС1, а іон NH 3 + — кислота, сполучена підставі NH 3. Істотним у протонної теорії є те положення, що речовина проявляє себе як кислота або як підставу в залежності від того, з яким іншим речовиною воно вступає в реакцію. Найважливішим чинником при цьому є енергія зв’язку речовини з протоном. Так, у низці NH 3 — Н 2 О — HF ця енергія максимальна для NH 3 і мінімальна для HF. Тому в суміші з NH 3 вода функціонує як кислота, а в суміші з HF — як підстава: NH 3 + Н 2 О = NH 4 + + ОН - HF + Н 2 О = F — + Н 3 О + Осно́вні оксиди Основні оксиди — це оксиди, яким відповідають основи. Основними оксидами є, наприклад, Na2O, CaO, MgO, K2O. Декотрі оксиди легко взаємодіють з водою з утворенням відповідних основ: CaO + H2O → Ca(OH)2 K2O + H2O → 2KOH. Оксиди Fe2O3, CuO, Ag2O з водою не взаємодіють, однак вони нейтралізують кислоти і тому вважаються основними. Fe2O3 + 6HCl → 2FeCl3 + 3H2O CuO + H2SO4 → CuSO4 + H2O Характерною хімічною властивісттю основних оксидів є їхня взаємодія з кислотами, при цьому, як правило, утворюються сіль і вода FeO + 2HCl → FeCl2 + H2O При взаємодії з кислотними і амфотерними оксидами утворюють солі, а між собою не взаємодіють. Наприклад: СаО + СО2 = СаСО3 Na2O + ZnO = Na2ZnO2 Основні оксиди утворюються тільки металами з низькою валентністю (не вище 3+ ). Більшість основних оксидів з водою безпосередньо не взаємодіють, за винятком оксидів лужних і лужноземельних металів, які реагують з водою. Усім основним оксидам відповідають основи, тобто гідроксиди, які проявляють властивості основ. Кислотні оксиди До кислотних оксидів відносять такі оксиди, які взаємодіють з основними та амфотерними оксидами, а також з їх гідроксидами з утворенням солей. Наприклад: P2О5 + 3СаО → Са3(РО4)2 SO3 + ZnO → ZnSO4 CO2 + 2NaOH → Na2СО3 + Н2О Кислотні оксиди називають звичайно ангідридами (зневодненими кислотами), вказуючи цим, що їх можна одержати з кислот, віднімаючи від них елементи води. Кислотні оксиди утворюються неметалами та деякими металами, які проявляють змінну валентність. Валентність металів у кислотних оксидах буває, від 4+ до 7+. Наприклад CrO3 — хроматний ангідрид (валентність хрому 6+ ), Mn2O7 — ангідрид марганцю (валентність марганцю 7+ ) і т. д. Деякі кислотні оксиди взаємодіють з водою, утворюючи відповідні гідроксиди, тобто кислоти. Є кислотні оксиди, які не взаємодіють з водою. Наприклад, SiO2 практично не розчинний у воді, однак він нейтралізує основи, тому є кислотним оксидом 2NaOH + SiO2 →сплавлення Na2SiO3 + H2O Гідроксиди, тобто кислоти, тих кислотних оксидів, що безпосередньо з водою не взаємодіють, одержують посереднім шляхом. Амфотерні оксиди Амфотерними називають такі оксиди, які взаємодіють як з кислотами, так і з основами, утворюючи сіль і воду. При взаємодії з кислотами вони поводять себе як основні оксиди, а при взаємодії з основами — як кислотні. ZnO + H2SO4 → ZnSO4 + H2О ZnO + 2NaOH → Na2ZnO2 + H2О З водою амфотерні оксиди не взаємодіють. Амфотерні оксиди утворюються тільки металами з валентністю від 2+ до 4+. До амфотерних оксидів належать ZnO, SnO, PbO, Al2О3, SnO2, PbO2 і ін. Отже, неметали утворюють тільки кислотні оксиди, а метали можуть утворювати основні, амфотерні і кислотні. Причому для металів із змінною валентністю існує така залежність: при низькому валентному стані металу (не вище 3+ ) він утворює основний оксид, при високому валентному стані (від 4+ до 7+ ) він утворює кислотний оксид, а при проміжному (звичайно від 2+ до 4+ ) він утворює амфотерний оксид. Основні, кислотні і амфотерні оксиди називають ще солетвірними, бо вони при взаємодії з кислотами або основами утворюють солі. Перша допомога при отруєнні полягає у винесенні потерпілого на свіже повітря, проведенні штучного дихання. Гідроліз солей — різновид реакцій гідролізу, обумовленого протіканням реакцій іонного обміну в розчинах (переважно, водних) розчинних солей-електролітів. Рушійною силою процесу є взаємодія іонів з водою, що приводить до утворення слабкого електроліту в іонному або (рідше) молекулярному вигляді («зв’язування іонів»).
Бесіда. Виходячи зі структурної формули натрій сульфату, визначте найбільш полярний зв'язок. На які іони буде дисоціювати натрій сульфат?
У натрій сульфаті найбільш полярним є зв'язок між Натрієм і Оксигеном, отже, у розчині саме він буде розриватися. Зв'язок між Сульфуром і Оксигеном є слабкополярним (різниця електронегативностей дуже мала), отже, при дисоціації вона розриватися не буде. При дисоціації солей утворюються катіони металів і аніони кислотних залишків. Рівняння електролітичної дисоціації солей виглядає так: Nа2SО4↔ 2Nа++S042-. Бесіда. Виходячи зі структурної формули кальцій гідроксиду, визначте найбільш полярний зв'язок. На які іони буде дисоціювати кальцій гідроксид?
У кальцій гідроксиді найбільш полярним є зв'язок між Кальцієм та Оксигеном, отже, у розчині саме він буде розриватися. Зв'язок між Гідрогеном і Оксигеном є слабкополярним (різниця електронегативностей невелика), отже, при дисоціації він розриватися не буде. При дисоціації основ утворюються катіони металів і гідроксид-аніони. Рівняння електролітичної дисоціації основ виглядає так: Са(ОН)2↔ Са2++2OH-. З точки зору теорії електролітичної дисоціації Арреніуса, основами називаються сполуки, при дисоціації яких утворюються гідроксид-іони. Бесіда. Р озглянувши структурну формулу сульфатної кислоти, визначте найбільш полярний зв'язок. На які іони буде дисоціювати сульфатна кислота?
У сульфатній кислоті найбільш полярним є зв'язок між Гідрогеном і Оксигеном, отже, у розчині саме він буде розриватися. Зв'язок між Сульфуром та Оксигеном є слабкополярним (різниця електронегативностей дуже мала), отже, при дисоціації він розриватися не буде. При дисоціації кислот утворюються катіони Гідрогену й аніони кислотних залишків. Рівняння електролітичної дисоціації сульфатної кислоти виглядає таким чином: Н2SО4↔2Н++SO42-. З точки зору теорії електролітичної дисоціації Арреніуса, кислотами називаються сполуки, при дисоціації яких утворюються іони Гідрогену.
Гідроліз солей. Взаємодія солі з водою, яка призводить до утворення слабкого або погано розчинного електроліту, називається гідролізом солі. Причиною гідролізу солей є зміщення рівноваги дисоціації молекул води в бік утворення малодисоційованих сполук. Реакції гідролізу звичайно відбуваються без зміни ступеня окиснення. Сумарний ефект гідролізу визначається природою наявних у розчині катіонів й аніонів. За невеликим винятком, майже всі солі є сильними електролітами. Це значить, що незалежно від того, взаємодією якої кислоти чи основи вони отримані, у воді солі дисоціюють практично повністю. А. Гідроліз солей, утворених взаємодією сильних основ і слабких кислот.У солей, утворених сильними основами і слабкими кислотами, відбувається гідроліз по аніону, а розчиницих солей мають лужну реакцію (рН більше 7). При розчиненні у воді солі ціанистоводневої кислоти і сильної основи, наприклад КСN, сіль дисоціює на іони: КСN K+ + CN-. Виникнення лужної реакції розчину стає зрозумілим із рівняння гідролізу в іонній формі. Його пишуть, враховуючи, що воду і ціанистоводневу кислоту, як слабкі електроліти, слід писати у вигляді молекул, а КСN і КОН – у вигляді іонів: К+ + СN- + Н2О К+ + ОН- + НСN; повне іонне рівняння, або кінцево: СN- + Н2О НСN + ОН-; скорочене іонне рівняння. Подібно КСN, розчин СН3СООNа також має лужну реакцію, що видно з рівняння гідролізу: СН3СОО- + НОН СН3СООН + ОН-. Б. Гідроліз солей, утворених дією сильної кислоти і слабкої основи.У солей, утворених сильною кислотою і слабкою основою, відбувається гідроліз по катіону, а розчини таких солей мають кислу реакцію (рН менше 7). У водних розчинах таких солей відбувається зв’язування ОН- -іонів води і накопичування Н+-іонів у розчині, наприклад: CuCl2 Cu2+ + 2Cl-; Cu2+ + 2Cl- + HOH CuOH+ + 2Cl- + H+; Cu2+ + HOH CuOH+ + H+. В. Гідроліз солей, утворених взаємодією слабкої основи і слабкої кислоти.Солі, утворені слабкою кислотою і слабкою основою, в розчинах не існують (гідролізують повністю). У цьому випадку зв’язуються ОН- і Н+ - іони води СН3СООNH4 СH3COO- + NH4+; СН3СОО- + NH4 + + НОН СН3СООН + NH4OH. У цьому випадку гідроліз відбувається повністю внаслідок того, що вже не один, а одразу два процеси зсувають рівновагу іонізації води. Переконатися в цьому можна по запахурозчину СН3СООNH4, який одночасно пахне оцтовою кислотою і аміаком. Г. Солі, утворені взаємодією сильної основи і сильної кислоти.Якщо сполука при дисоціації в розчині утворює катіони й аніони сильних основ та кислот, гідроліз практично не відбувається, і рН середовища не змінюється. У такому випадку можна сказати, що солі сильної основи і сильної кислоти гідролізу не піддаються, так як при розчиненні їх у воді не відбувається зв’язування ні Н+, ні ОН-, які виникають в результаті дисоціації води. Отже, рН розчинів солей, утворених сильними основами і сильними кислотами, таке ж, як у чистої води (рН7). ©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.
|