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.

На данный момент используют определения теории созданной С. Аррениусом и В. Оствальдом. Вещества, которые обладают схожими свойствами в реакциях разделяют на классы для удобства использования на практике, например,

Кислота

Диссоциация – это процесс распада вещества на ионы в растворах или расплавах. Например, диссоциация соляной кислоты - это распад HCl на H⁺ и Cl^-. С позиции теории Аррениуса, кислоты – это вещества, диссоциирующие в растворах с образованием катионов водорода. Кислоты состоят из ионов водорода и кислотного остатка.

Общие свойства кислот

• При диссоциации образуют ионы водорода
• Реагирует с некоторыми металлами, такими как цинк, выделяя водород
• При реакции с металлическими карбонатами (например, карбонат кальция), выделяется двуокись углерода (CO₂) в виде газа
• Меняют цвет pH-индикаторов

Кислота в теории Льюиса

Кислота - это соединение или ион, способные реагировать с основанием Льюиса формируя новое вещество посредством формирования ковалентной связи (обмен электронами).

Кислота в теории Бёрнстведа-Лоури

Кислота - это соединение или ион, способные отдать протон основанию или соответствующему химическому веществу.

Например
H₂O, H₃O⁺, CH₃CO₂H, H₂SO₄, HSO₄⁻, HCl, CH₃OH, NH₃

Основание

Общие свойства оснований

• Мыльные на ощупь
• При реакции основания со многими катионами формируется осадок
• Меняют цвет pH-индикатора

Основание в теории Льюиса

Соединение или ион, способные отдать пару электронов и таким образом образовать ковалентную связь с кислотой Льюиса.

Основание в теории Бёрнстведа-Лоури

Соединение или ион, способные принимать протон от кислоты или соответствующего химического вещества.

Например
OH⁻, H₂O, CH₃CO₂⁻, HSO₄⁻, SO₄²⁻, Cl⁻

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.

Классификация кислот и оснований

Кислоты

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

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.

Основания

Основания - это вещества, содержащие гидроксильную группу (OH^-) выделяющие ионы OH^- в водном растворе.

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.

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)

Реакции кислота-основание

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

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