Кислоты и основания

После прочтения статьи Вы сможете разделять вещества на соли, кислоты и основания. В статье описано, что такое pH раствора, какими общими свойствами обладают кислоты и основания.

Простым языком, кислота - это всё что с H, а основание - c OH. НО! Не всегда. Что бы отличать кислоту от основания необходимо... запомнить их! Сожалею. Что бы хоть как то облегчить жизнь, три наших друга, Аррениус и Бренстед с Лоури, придумали две теории, которые зовутся их именем.

Как металлы и неметаллы, кислоты и основания - это разделение веществ по схожим свойствам. Первая теория кислот и оснований принадлежала швецкому учёному Аррениусу. Кислота по Аррениусу - это класс веществ, которые в реакции с водой диссоциируют (распадаются), образовывая катион водорода H⁺. Основания Аррениуса в водном растворе образуют анионы OH^-. Следующая теория в 1923 году была предложена учёными Бренстедом и Лоури. Теория Бренстеда-Лоури определяет кислотами вещества, способные в реакции отдавать протон (протоном в реакциях называют катион водорода). Основания, соответственно, - это вещества, способные принять протон в реакции. Актуальная на данный момент теория - теория Льюиса. Теория Льюиса определяет кислоты как молекулы или ионы, способные принимать электронные пары, тем самым формируя аддукты Льюиса (аддукт - это соединение, образующееся соединением двух реагентов без образования побочных продуктов).

В неорганической химии, как правило, под кислотой имеют ввиду кислоту Бренстеда-Лоури, то есть вещества, способные отдать протон. Если имеют ввиду определение кислоты по Льюису, то в тексте такую кислоту называют кислотой Льюиса. Данные правила справедливы для кислот и оснований.

Диссоциация

Диссоциация – это процесс распада вещества на ионы в растворах или расплавах. Например, диссоциация соляной кислоты - это распад HCl на H⁺ и Cl^-.

Свойства кислот и оснований

Кислоты, содержащие водород, в водном растворе выделяют катионы водорода. Основания, содержащие гидроксид-ион, в водном растворе выделяют анион OH^-.

Основания, как правило, мыльные на ощупь, кислоты, в большинстве своём, имеют кислый вкус.

При реакции основания со многими катионами формируется осадок. При реакции кислоты с анионами, как правило, выделяется газ.

Часто используемые кислоты:
H₂O, H₃O⁺, CH₃CO₂H, H₂SO₄, HSO₄⁻, HCl, CH₃OH, NH₃

Часто используемые основания:
OH⁻, H₂O, CH₃CO₂⁻, HSO₄⁻, SO₄²⁻, Cl⁻

Сильные и слабые кислоты и основания

Сильные кислоты

Такие кислоты, которые полностью диссоциируют в воде, производя катионы водорода H⁺ и анионы. Пример сильной кислоты - соляная кислота HCl:

HCl_(р-р) + H₂O_(ж) → H₃O⁺_(р-р) + Cl^-_(р-р)

Примеры сильных кислот: HCl, HBr, HF, HNO₃, H₂SO₄, HClO₄

Список сильных кислот

• HCl - соляная кислота
• HBr - бромоводород
• HI - йодоводород
• HNO₃ - азотная кислота
• HClO₄ - хлорная кислота
• H₂SO₄ - серная кислота

Слабые кислоты

Растворяются в воде только частично, например, HF:

HF_(р-р) + H2O_(ж) → H3O⁺_(р-р) + F^-_(р-р) - в такой реакции более 90% кислоты не диссоциирует:
[H₃O⁺]=[F^-] < 0,01M для вещества 0,1М

Сильную и слабую кислоту можно различить измеряя проводимость растворов: проводимость зависит от количества ионов, чем сильнее кислота тем она более диссоциирована, поэтому чем сильнее кислота тем выше проводимость.

Список слабых кислот

• HF фтороводородная
• H₃PO₄ фосфорная
• H₂SO₃ сернистая
• H₂S сероводородная
• H₂CO₃ угольная
• H₂SiO₃ кремниевая

Сильные основания

Сильные основания полностью диссоциируют в воде:

NaOH_(р-р) + H₂O ↔ NH₄

К сильным основаниям относятся гидроксиды металлов первой (алкалины, щелочные металы) и второй (алкалинотеррены, щёлочноземельные металлы) группы.

Список сильных оснований

• NaOH гидроксид натрия (едкий натр)
• KOH гидроксид калия (едкое кали)
• LiOH гидроксид лития
• Ba(OH)₂ гидроксид бария
• Ca(OH)₂ гидроксид кальция (гашеная известь)

Слабые основания

В обратимой реакции в присутствии воды образует ионы OH^-:

NH_{3 (р-р)} + H₂O ↔ NH⁺_{4 (р-р)} + OH^-_(р-р)

Большинство слабых оснований - это анионы:

F^-_(р-р) + H₂O ↔ HF_(р-р) + OH^-_(р-р)

Список слабых оснований

• Mg(OH)₂ гидроксид магния
• Fe(OH)₂ гидроксид железа (II)
• Zn(OH)₂ гидроксид цинка
• NH₄OH гидроксид аммония
• Fe(OH)₃ гидроксид железа (III)

Реакции кислот и оснований

Сильная кислота и сильное основание

Такая реакция называется нейтрализацией: при количестве реагентов достаточном для полной диссоциации кислоты и основания, результирующий раствор будет нейтральным.

Пример:
H₃O⁺ + OH^- ↔ 2H₂O

Слабое основание и слабая кислота

Общий вид реакции:
Слабое основание_(р-р) + H₂O ↔ Слабая кислота_(р-р) + OH^-_(р-р)

Сильное основание и слабая кислота

Основание полностью диссоциирует, кислота диссоциирует частично, результирующий раствор имеет слабые свойства основания:

HX_(р-р) + OH^-_(р-р) ↔ H₂O + X^-_(р-р)

Сильная кислота и слабое основание

Кислота полностью диссоциирует, основание диссоциирует не полностью:

NH_{3 (р-р)} + H⁺ ↔ NH₄

Диссоциация воды

Диссоциация - это распад вещества на составляющие молекулы. Свойства кислоты или основания зависят от равновесия, которое присутствует в воде:

H₂O + H₂O ↔ H₃O⁺_(р-р) + OH^-_(р-р)
K_c = [H₃O⁺][OH^-]/[H₂O]²
Константа равновесия воды при t=25°: K_c = 1.83⋅10^-6, также имеет место следующее равенство: [H₃O⁺][OH^-] = 10^-14, что называется константой диссоциации воды. Для чистой воды [H₃O⁺] = [OH^-] = 10^-7, откуда -lg[H₃O] = 7.0.

Данная величина (-lg[h₃O]) называется pH - потенциал водорода. Если pH < 7, то вещество имеет кислотные свойства, если pH > 7, то вещество имеет основные свойства.

Способы определения pH

Инструментальный метод

Специальный прибор pH-метр - устройство, трансформирующее концентрацию протонов в растворе в электрический сигнал.

Индикаторы

Вещество, которое изменяет цвет в некотором интервале значений pH в зависимости от кислотности раствора, используя несколько индикаторов можно добиться достаточно точного результата.

Соль

Соль - это ионное соединение образованное катионом отличным от H⁺ и анионом отличным от O^2-. В слабом водном растворе соли полностью диссоциируют.

Что бы определить кислотно-щелочные свойства раствора соли, необходимо определить, какие ионы присутствуют в растворе и рассмотреть их свойства: нейтральные ионы, образованные из сильных кислот и оснований не влияют на pH: не отдают ионы ни H⁺, ни OH^- в воде. Например, Cl^-, NO^-₃, SO^2-₄, Li⁺, Na⁺, K⁺.

Анионы, образованные из слабых кислот, проявляют щелочные свойства (F^-, CH₃COO^-, CO^2-₃), катионов с щелочными свойствами не существует.

Все катионы кроме металлов первой и второй группы имеют кислотные свойства.

Буфферный раствор

Растворы, которые сохраняют уровень pH при добавлении небольшого количества сильной кислоты или сильного основания, в основном состоят из:

• Смесь слабой кислоты, соответствующей соли и слабого основания
• Слабое основание, соответствующая соль и сильная кислота

Для подготовки буфферного раствора определённой кислотности необходимо смешать слабую кислоту или основание с соответствующей солью, при этом необходимо учесть:

• Интервал pH в котором буфферный раствор будет эффективен
• Ёмкость раствора - количество сильной кислоты или сильного основания, которые можно добавить не повлияв на pH раствора
• Не должно происходить нежелаемых реакций, которые могут изменить состав раствор

Тест: