post

Киселини и основи – електролити. Водороден показател pH

При разтварянето си много съединения се дисоциират на йони, в резултат на което образуват разтвори със специфични свойства. Наличието на водородни/хидроксилни йони в разтвора определя неговата киселинност/основност и количиствено това се представя от т. нар. водороден показател (pH) или съответно хидроксилен показател (pOH). Но дефинирането на понятията киселина и основа може да стане както в контекстта на теорията за електролитна дисоциация на Арениус, така и според протонната теория на Брьонстед – Лаури или електронната теория на Люис.

Киселини

Киселини, от гледна точка на теорията за електролитна дисоциация, са химически съединения, които във воден разтвор или стопилка се дисоциират на водородни катиони и киселинни аниони.

При дисоциацията химичната връзка между водородния атом и киселинния остатък се разкъсва. Броят молове водородни катиони (H+), които се образуват от един мол киселина определя нейната основност. Едноосновна киселина например е солната {1H+ + Cl}, а двуосновна е сярната киселина {2H+ + SO42-}. При дву- и многоосновните киселини електролитната дисоциация протича на етапи.

Водните разтвори на киселините се различават по сила. Разредените киселини реагират с всички метали, които в Реда на относителната активност се намират преди водорода. Индикацията на киселинен разтвор става както следва:

лакмусова хартия – оцветява се в червено
метилоранж – оцветява се в червено
фенолфталеин – остава безцветен

Основи

Основи, от гледна точка на теорията за електролитна дисоциация, представляват воден разтвор или стопилка на химически съединения наречени хидроксиди, които са дисоциирани на хидроксилни аниони и метални катиони (или амониеви катиони).

При дисоциацията химичната връзка между хидроксилната група и металния катион се разкъсва. Броят молове хидроксилни аниони, които се образуват от един мол основа определя нейната валентност. Едновалентна основа например е натриевата {Na+ + 1OH}, а двувалентна е калциевата {Ca2+ + 2OH}.

Водните разтвори на основите се различават по сила. Индикацията на разтвор с основен характер става както следва:

лакмусова хартия – оцветява се в синьо
метилоранж – оцветява се в жълто
фенолфталеин – оцветява се в малиновочервено

Неутрализация

Процесът на взаимодействие между киселина и основа се нарича неутрализация и при него се получават продуктите сол и вода. Когато реагентите са смесени в подходящите стехиометрични количества, полученият разтвор на сол има неутрален характер (pH=7).

{H+ + Cl} + {Na+ + OH} → {Na+ + Cl} + H2O

Пълна неутрализация се наблюдава само между разтвори на силна киселина и силна основа. Съкратеното йонно уравнение на процеса може да се запише както следва:

H+ OH– → H2O

Соли

Солите могат да се разглеждат като продукти на процеса неутрализация, които във воден разтвор или стопилка се дисоциират на киселинни аниони и метални или амониеви катиони.

KNO3 → K+ +  NO3

Повечето соли са силни електролити и разтворите им са добри проводници на електричен ток.

Протонна теория

Според протонната теория на Брьонстед и Лаури всяко съединение може да се държи като киселина или основа, в зависимост от това, съответно дали отдава или приема протон. Под „протон“ в случая се разбира водороден катион, който на практика се състои само от един протон (H+) и процесът не трябва да се бърка с ядрените реакции на разпад. Всъщност това са конкурентни химични реакции, при които киселината се състои от основа и спрегнат с нея водороден катион (протон), който се отдава на друго съединение.

Например при определени обстоятелства водата може да се държи като киселина и да отдава H+ или да проявява поведение на основа и да приема H+. Подобни съединения, които имат двойно поведение в зависимост от условията, се наричат амфолити.

HCl (газ/киселина) + H2O (основа) → H3O+ (киселина) + Cl (основа)

NH3 (основа) +  H2O (киселина) ↔ OH (основа) + NH4+ (киселина)

В първия от горните два примера хлороводородът е киселината, а хлорният анион е спрегната ѝ основа. Във втория пример амониевият катион е киселината, а амонякът е спрегната ѝ основа. Вижда се обаче, че водата може да изпълнява ролята както на киселината, така и на спрегнатата основа. Протонната теория много напомня окислително-редукционните взаимодействия, с тази разлика, че при нея съединенията отдават/приемат водородни катиони, а при oxy-red преходите атомите отдават/приемат електрони.

Електронна теория на Люис

През 1923 година Люис създава електронната теория за киселинно-основните взаимодействия на базата на донорно-акцепторната теория за образуване на химична връзка. Според люисовата теория, основа е всяко съединение, което осигурява неподелена електронна двойка за образуване на ковалентна химична връзка, а киселина е всяка частица способна да осигури свободна атомна орбитала за електронната двойка.

Пак според теорията на Люис, неутрализацията представлява образуването на кординативна ковалентна връзка между основата и киселината.

Дисоциация на водата

Поради асиметрията на водната молекула и наличето на водородни връзки, водата се дисоциира обратимо. Тъй като тя е слаб електролит, обект на водната дисоциация при нормални условия е само една на сто милиона молекули. Заради тази причина чистата вода не провежда електричен ток. Дисоциацията ѝ може да се изобрази по два начина:

H2O → H+ OH–   или   2H2O → H3O+ + OH– 

Опитно е установено, че дисоциационната константа (KD) на водата е 1,8.10-16 мола за литър. Тъй като процесът е равновесен и обратим, може да се използва законът за действие на масите, в резултат на който се получава, че при нормални условия произведението на концентрацията на хидроксилните аниони и концентрацията на водородните катиони е константа. Тази константа се нарича йонно произведение на водата (Kw):

KD. cH2= cOH . cH+ = 10-14

Тъй като концентрациите на двата вида йони са равни, следва:

cOH = cH+ = 10-7

Друго интересно следствие е, че дори в разтворите, независимо как се променя концетрацията на единия или другия вид йони, йонното произведение на водата се запазва константа: Kw.

Разтвор, в който концентрациите на водородните и хидроксилните йони са равни се нарича неутрален.

Разтвор, в който концентрацията на водородните катиони е по-голяма от тази на хидроксилните се нарича кисел.

Разтвор, в който концентрацията на хидроксилните аниони е по-голяма от тази на водородните се нарича основен.

Водороден показател (pH)

pH - водороден показател

цветна диаграма за лакмусова хартия за различните стопйности на pH (водороден показател) на разтворите

За приложни цели в практиката е въведено понятието водороден показател. Той представлява отрицателен десетичен логаритъм от моларната концентрация на водородните катиони в разтвора. Водородният показател се бележи с pH (чете се: пе ха) и отразява количествено киселинността на различните разтвори.

Например алкален разтвор с концентрация на водородните катиони cH+ = 10-13  ще има pH=13, т.е. разтворът ще е основен. Разтвор с концентрация cH+ = 10-7 ще има pH=7  и ще бъде неутрален. Разтвор с концентрация cH+ = 10-2,5  ще има pH=2,5 и ще бъде кисел. Вижда се от посочените примери, че на по-малките концентрaции съответства по-голямо pH. С нарастване на пе ха на разтвора намалява киселият му характер и се засилва основния.

Сходни Публикации

Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *

Leave the field below empty!