Глава VII. Кислотно-основные реакции в водных растворах.

Понятия «кислота» и «основание» применяют по отношению к двум группам соединений, обладающих совокупностью диаметрально противоположных свойств. Если кислота выступает донором катиона водорода (Н⁺), то основание является его акцептором. Следовательно, кислотно-основные реакции сопровождаются переносом катиона водорода, т.е. протона, между реагентами. В то же время, поскольку катион водорода – электрофил, то все кислотно-основные реакции протекают по электрофильно-нуклеофильному механизму. При этом кислота, как донор катиона водорода, выступает электрофилом, а основание – нуклеофилом, поскольку присоединяет катион водорода за счет наличия свободной электронной пары. Рассмотрим основные виды кислотно-основных реакций.

Взаимодействие оксидов с водой

Одним из случаев кислотно-основных реакций является реакция образования кислот или оснований при растворении некоторых оксидов в воде.

Взаимодействие кислотных оксидов с водой приводит к образованию растворов соответствующих кислот, содержащих гидратированные катионы Н⁺ и анионы кислотных остатков, что обусловлено полной или частичной диссоциацией кислоты. Если соответствующая кислота является сильным электролитом, то взаимодействие оксида с водой практически необратимо. Например:

SO₃ + H₂O = H₂SO₄ H₂SO₄ = 2H⁺ + SO₄^2-

Cl₂O₇ + H₂O = 2HClO₄ HClO₄ = H⁺ + ClO₄^-

Оксиды s-металлов, кроме BeO и MgO, растворяясь в воде, образуют растворы гидроксидов соответствующих металлов, содержащие катионы металла и анионы ОН^- - продукты полной диссоциации сильного основного гидроксида:

Na₂O + H₂O = 2NaOH NaOH = Na⁺ + OH^-

CaO + H₂O = Ca(OH)₂ Ca(OH)₂ = Ca²⁺ + 2OH^-

Реакции взаимодействия водорастворимых оксидов с водой, как все кислотно-основные реакции, протекают по электрофильно-нуклеофильному механизму. При этом вода проявляет типичные амфотерные свойства, выступая поставщиком и Н⁺ - носителя кислотных свойств, и ОН^- - носителя основных свойств.

Реакции нейтрализации

К кислотно-основным реакциям относятся реакции нейтрализации

Реакцией нейтрализации называется взаимодействие кислоты и основания с образованием соли и воды.

Например, при добавлении гидроксида калия в соляную кислоту идет реакция:

КОН + НСl = KCL + H₂O OH^- + H⁺

Реакция нейтрализации протекает необратимо только при взаимодействии сильной кислоты с сильным основанием, т.к. в этом случае единственным слабым электролитом в реакционной смеси является продукт реакции – вода. Если при этом кислота и основание взяты строго в стехиометрических количествах, то среда в образовавшемся растворе соли будет нейтральной.

По другому протекает реакция нейтрализации с участием слабых кислот (HNO₂, CH₃COOH, H₂SO₃) или слабых оснований (NH₃*H₂O, Mg(OH)₂, Fe(OH)₂).

HNO₂ + KOH ↔ KNO₂ + H₂O

HNO₂ + K⁺ + OH^- ↔ K⁺ + NO^-₂ + H₂O

HNO₂ + OH^- ↔ NO₂^- + H₂O

По сокращенному ионно-молекулярному уравнению реакции видно, в реакционной системе слабые электролиты есть не только среди продуктов реакции (Н₂О), но и среди исходных веществ (HNO₂), что указывает на обратимость реакции. Однако, поскольку именно вода является самым слабым электролитом, то реакция самопроизвольно сильно смещена вправо, в сторону образования соли.

Рассмотрим несколько примеров.

Пример 1. Выберите из перечисленных кислот и оснований: HNO₂, HNO₃, H₂SO₃, Ba(OH)₂, LiOH, Mn(OH)₂ – те, попарные взаимодействия которых соответствуют реакции нейтрализации, идущей по уравнению: Н⁺ + ОН^- = Н₂О. напишите молекулярные уравнения возможных реакций.

Ответ. Указанному процессу соответствует взаимодействие сильной кислоты с сильным основанием. Среди перечисленных соединений сильная кислота –HNO₃, сильные основания – Ва(ОН)₂ и LiOH. Уравнения возможных реакций следующие:

2HNO₃ + Ba(OH)₂ = Ba(NO₃)₂ + 2H₂O

HNO₃ + LiOH = LiNO₃ + H₂O

Пример 2.Раствор содержит смесь HCl и CH₃COOH. Какие реакции и в какой последовательности протекают при нейтрализации этого раствора гидроксидом калия?

Ответ. Содержащиеся в растворе кислоты относятся к разным типам электролитов: HCl – сильный электролит, CH₃COOH – слабый. Вследствие подавления диссоциации слабого электролита сильным нейтрализация этих кислот при постепенном добавлении щелочи идет последовательно: сначала ионы ОН^- взаимодействуют со свободными ионами Н⁺, т.е. с сильной кислотой, а затем в процесс вовлекаются молекулы слабой кислоты. Таким образом, сначала идет реакция с HCl , а затем с CH₃COOH:

1) HCl + КОН = КCl + Н₂О Н⁺ + ОН^- = Н₂О

2) CH₃COOH + КОН = CH₃COOК + Н₂О CH₃COOH + ОН^- = CH₃COO^- + Н₂О

Пример 3. Укажите качественный и количественный состав раствора, полученного в результате добавления 3,36 г КОН к 500 мл раствора Н₃РО₄ с молярной концентрацией 0,1 моль/л

Дано:

ϑ _{(р-ра Н3РО4)} = 500мл = 0,5л Н₃РО₄ с КОН может образовать три различные соли.

с(Н₃РО₄) = 0,1 моль/л Запишем уравнения реакций образования каждой из

m(КОН) = 3,36 г возможных солей и отметим стехиометрическое

М(КОН) = 56 г/моль мольное соотношение реагентов:

Состав раствора ? n(Н₃РО₄) n(КОН)

- Н₃РО₄ + КОН = КН₂РО₄ + Н₂О 1 : 1

- Н₃РО₄ + 2КОН = К₂ НРО₄ + 2Н₂О 1 : 2

- Н₃РО₄ + 3КОН = К₃РО₄ + 3Н₂О

Определим количества реагентов по данным задачи и их мольное соотношение:

n (Н₃РО₄) = с(Н₃РО₄)* ϑ _{(р-ра Н3РО4)} = 0,1моль/л*0,5 л = 0,05 моль

n(КОН) = m(КОН)/ М(КОН) = 3,36 г/56 г/моль = 0,06 моль

n (Н₃РО₄) : n(КОН) = 0,05 : 0,06 = 5 : 6 = 1 : 1,2

Сравнивая данное отношение с мольными отношениями реагентов в возможных реакциях, сделаем вывод о том, что в растворе образуется смесь КН₂РО₄ и К₂ НРО₄, поскольку щелочи больше, чем требуется для образования первой соли, но меньше, чем надо для образования следующей.

В соответствии с избытком КОН по первому уравнению вся кислота превратится в КН₂РО₄, при этом n (КН₂РО₄) = n (Н₃РО₄) = 0,05 моль.

Число молей КОН, израсходованное в этой реакции, n₁(КОН) = n (Н₃РО₄) = 0,05 моль, неизрасходованным останется 0,06 – 0,05 = 0,01 (моль). Это количество КОН будет взаимодействовать с КН₂РО₄ по уравнению:

КН₂РО₄ + КОН = К₂ НРО₄ + Н₂О

Очевидно, что 0,01 моль КОН переведет 0,01 КН₂РО₄, в 0,01 моль К₂ НРО₄, при этом в растворе останется 0,05 – 0,01 = 0,04 (моль) К₂ НРО₄.

Ответ: 0,04 моль КН₂РО₄ и 0,01 моль К₂ НРО₄

Гидролиз солей

При растворении некоторых солей в воде помимо диссоциации соли и гидратации ее ионов самопроизвольно протекает кислотно-основная реакция между ионами соли и молекулами воды, называемая гидролизом соли.

Гидролиз соли – процесс ионообменного взаимодействия ионов соли с молекулами воды, в результате которого образуются слабо диссоциирующие молекулы или ионы

При взаимодействии с анионами солей вода ведет себя как кислота, а с катионами солей – как основание. При этом в растворе соли появляются свободные ионы Н⁺ или ОН^-, образовавшихся из молекул воды, что обуславливает кислую или щелочную среду водного раствора гидролизующейся соли.

Способность солей подвергаться гидролизу и глубина протекания этого процесса зависят прежде всего от природы ионов, образующих соль, а также от растворимости соли в воде.

Соли, образованные катионами сильных оснований и анионами сильных кислот (KNO₃, Na₂SO₄, BaCl₂), гидролизу не подвергаются, т.к. ни катион, ни анион соли не могут образовать с водой слабых электролитов.

Практически не гидролизуются и труднорастворимые соли (CaCO₃, Mg₃(PO₄)₂) из-за очень незначительной концентрации их ионов в воде.

Гидролиз солей происходит лишь в тех случаях, когда ионы соли могут при взаимодействии с молекулами воды образовать слабо диссоциирующие кислоты или основания. Поэтому гидролизу подвергаются соли, образованные:

1. Анионами слабых кислот и катионами сильных оснований (гидролиз по аниону соли).

2. Катионами слабых оснований и анионами сильных кислот (гидролиз по катиону соли).

3. Катионами слабых оснований и анионами слабых кислот (одновременный гидролиз и по катиону и по аниону соли).