Глава 14. Резюме (Summary)¶
14.1 Кислоты и основания по Брёнстеду–Лоури¶
Соединение, способное отдать протон (ион водорода) другому соединению, называется кислотой Брёнстеда–Лоури. Соединение, принимающее протон, называется основанием Брёнстеда–Лоури. Частица, остающаяся после потери протона кислотой Брёнстеда–Лоури, — это сопряжённое основание этой кислоты. Частица, образующаяся при присоединении протона к основанию Брёнстеда–Лоури, — это сопряжённая кислота этого основания. Таким образом, кислотно-основная реакция протекает как перенос протона от кислоты к основанию, причём из исходной кислоты образуется её сопряжённое основание, а из исходного основания — его сопряжённая кислота. Амфипротонные частицы могут выступать как донорами, так и акцепторами протонов. Важнейшая амфипротонная частица — вода. В результате автоионизации она образует как ион гидроксония \(\ce{H3O+}\), так и гидроксид-ион \(\ce{OH-}\):
Ионное произведение воды \(K_w\) — это константа равновесия реакции автоионизации:
14.2 pH и pOH¶
Концентрации иона гидроксония и гидроксид-иона в водных средах часто выражают логарифмическими величинами pH и pOH соответственно. При \(25\ \text{°C}\) равновесие автопротолиза воды требует, чтобы сумма pH и pOH для любого водного раствора была равна 14. Относительные концентрации ионов гидроксония и гидроксида в растворе определяют его характер: кислотный (\(\ce{[H3O+]} > \ce{[OH-]}\)), основный (\(\ce{[H3O+]} < \ce{[OH-]}\)) или нейтральный (\(\ce{[H3O+]} = \ce{[OH-]}\)). При \(25\ \text{°C}\) pH < 7 отвечает кислотному раствору, pH > 7 — основному, а pH = 7 — нейтральному.
14.3 Относительная сила кислот и оснований¶
Относительные силы кислот и оснований отражаются в величинах их констант ионизации: чем сильнее кислота или основание, тем больше его константа ионизации. Между силами компонентов сопряжённой кислотно-основной пары существует обратное соотношение: чем сильнее кислота, тем слабее её сопряжённое основание. Вода оказывает нивелирующее действие на растворённые в ней кислоты или основания, реагируя с ними полностью с образованием характерных для неё иона гидроксония и гидроксид-иона (самой сильной кислоты и самого сильного основания, которые могут существовать в воде). Сила бинарных кислот возрастает слева направо вдоль периода периодической таблицы (\(\ce{CH4} < \ce{NH3} < \ce{H2O} < \ce{HF}\)) и сверху вниз вдоль группы (\(\ce{HF} < \ce{HCl} < \ce{HBr} < \ce{HI}\)). Сила оксикислот, содержащих один и тот же центральный элемент, возрастает с увеличением степени окисления этого элемента (\(\ce{H2SO3} < \ce{H2SO4}\)). Сила оксикислот также возрастает с увеличением электроотрицательности центрального элемента (\(\ce{H2SeO4} < \ce{H2SO4}\)).
14.4 Гидролиз солей¶
Ионы, входящие в состав солей, могут проявлять кислотные или основные свойства, ионизируясь при растворении в воде и давая кислотные или основные растворы. Кислотные катионы — это, как правило, сопряжённые партнёры слабых оснований, а основные анионы — сопряжённые партнёры слабых кислот. Многие ионы металлов при растворении связываются с молекулами воды с образованием комплексных ионов, которые могут вести себя как кислоты.
14.5 Многоосновные кислоты¶
Кислота, содержащая более одного ионизуемого протона, называется многоосновной. Такие кислоты ионизуются ступенчато, с переносом отдельных протонов. Константы ионизации многоосновных кислот уменьшаются от ступени к ступени; обычно это уменьшение достаточно велико, чтобы можно было пользоваться простыми равновесными расчётами, рассматривая каждую ступень отдельно.
14.6 Буферные растворы¶
Растворы, содержащие заметные количества слабой сопряжённой кислотно-основной пары, называются буферными растворами. Буферный раствор лишь незначительно изменяет pH при добавлении небольших количеств кислоты или основания. Добавление больших количеств кислоты или основания может превысить буферную ёмкость, расходуя почти весь один из сопряжённых партнёров и прекращая буферное действие.
14.7 Кислотно-основное титрование¶
Кривая титрования для кислотно-основного титрования представляет собой, как правило, график зависимости pH от объёма добавленного титранта. Такие кривые полезны для выбора подходящих кислотно-основных индикаторов, которые позволят точно определять точки конца титрования.