Протолитическая теория Брёнстеда — Лоури

Данная система представлений характеризует кислоты как вещества, отдающие протоны (доноры протонов), а основания — как вещества, способные соединяться с протонами (акцепторы протонов). Из этого следует, что реакция нейтрализации сводится к переносу протонов от кислоты к основанию. Теряя протон, кислота превращается в основание, поскольку в результате обратной реакции образовавшееся вещество может присоединить протон. Аналогично основание, присоединив протон, становится кислотой. Такая взаимосвязь между кислотами и основаниями может быть выражена уравнениями, сумма которых представляет собой реакцию нейтрализации:

Таким образом, реакция нейтрализации может рассматриваться как процесс, в котором имеет место конкуренция за обладание протоном.

Вещества Aj и В, называют сопряженной системой или парой, поскольку кислота А_р теряя протон, образует сопряженное ей основание В, а основание В₂ образует сопряженную ему кислоту А._; за счет присоединения протона. Кислотами и основаниями могут быть нейтральные молекулы, положительные или отрицательные ионы, например:

Из представлений Брёнстеда — Лоури следует, что вода, как и многие другие вещества, способные не только отдавать, но и присоединять к себе протоны, обладает амфотерными свойствами. В присутствии более сильных оснований вода ведет себя как кислота, а в присутствии более сильных кислот — как основание:

Положения равновесия зависят от относительной протонодонорной способности участвующих в реакции веществ. Так, для НС1 равновесие сильно смещено вправо, поскольку НС1 — лучший донор протонов, чем образующийся Н₃0⁺; хлорид-ион — худший акцептор протонов, чем вода. С1 представляет собой слабое основание, сопряженное сильной кислоте НС1, поскольку последняя является слабым акцептором протонов. При наличии же NH₃ слабой кислоте Н₂0 отвечает сильное сопряженное основание ОН .

Согласно представлениям Брёнстеда — Лоури сила кислоты определяется константой кислотности К_а, илиК_к, а сила основания — константой основности K_h, или К_оси. Исходя из равновесия.

имеем.

Для осуществления этого равновесия в растворе необходимо присутствие акцептора протона, благодаря которому осуществляется переход протона от кислоты к основанию:

Реакции данного типа называются протолитическими, количественная сторона которых характеризуется константой равновесия (константой протолиза):

Значения К_а для НА и НВ можно определить следующим путем: тогда.

Так, для реакции получаем

т.е. константа выражается через отношение констант кислотности соответствующих брёнстедовских кислот. Сила основания определяется константой основности K_h, которая соответствует равновесию.

и равна.

Определение для системы растворителей. Этим определением пользуются в тех случаях, когда для растворителя наблюдаются в заметной степени процессы аутоионизации независимо от того, участвуют в этом процессе протоны или пет. Согласно этому определению под кислотой понимают вещество, способное к образованию катиона, характерного для данного растворителя, а под основанием — вещество, способное к образованию аниона, характерного для данного растворителя. Например:

Вещества, которые при растворении повышают концентрацию собственных катионных частиц растворителя, являются кислотами, а те, которые увеличивают концентрацию анионных частиц растворителя, — основаниями.

Большинство химических реакций и изучение свойств многих веществ проводят в среде того или иного растворителя, поэтому важно знать свойства растворителя. Растворители, содержащие протоны и обладающие более или менее сильными кислотными свойствами, а также способные к ионизации, называются протонными растворителями. Для них характерен автопротолиз (Н., 0, H₂S ()₄ и т. д.). В протонных растворителях частицы растворяемого вещества окружены не только молекулами растворителя, но и катионами и анионами, образовавшимися при автонротолизе растворителя.

К так называемым апротонным растворителям относятся неполярные или слабо полярные недиссоциирующие жидкости, которые сольватируют слабо (СС1₄, C_GH₆ и др.); деионизированные, но сильно сольватирующие полярные растворители (диметилформамид, диметилсульфоксид и др.), а также сильно полярные аутоионизированные растворители (РОС1₃, BrF₃ и др.).

Протолитическая теория значительно расширяет перечень кислот и оснований, однако и она имеет ряд недостатков, главный из которых — неспособность объяснить кислотно-основные свойства апротопных веществ.

Электронная теория Льюиса. Гилберт Ныотон Лыоис предложил более общее определение: кислота — это вещество, которое принимает электронную пару и является акцептором; основание — это вещество, которое предоставляет электронную пару и является донором.

Взаимодействие между кислотой и основанием согласно этому определению заключается в возникновении ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму:

Аммиак, имеющий неноделенную пару электронов, является основанием, а координационно-ненасыщенная молекула А1С1₃ — кислотой.

На основании определений Лыоиса частицы типа NH₃, CN, F", Cl", S0₃^- и др. следует рассматривать как основания, а все ионы металлов — как кислоты. Степень сродства иона металла к лиганду называтся льюисовской кислотностью, а тенденция лиганда образовывать связи с ионом металла — льюисовской основностью. Силы кислот и оснований Льюиса могут меняться в зависимости от природы партнера.

В настоящее время электронная теория кислот и оснований является наиболее универсальной.