Автопротолиз

(перенаправлено с «Константа автопротолиза»)

Автопротолиз — гомофазный процесс самоионизации, обратимый процесс передачи протона от одной нейтральной молекулы жидкости к другой и образования в результате равного числа катионов и анионов.

Автопротолиз как кислотно-основное взаимодействиеПравить

Понятие автопротолиза вытекает из протонной теории кислот и оснований Брёнстеда-Лоури. В ней понятие о кислотах и основаниях было объединено в единое целое, проявляющееся в кислотно-основном взаимодействии. Сущностью кислотно-основного взаимодействия по Брёнстеду-Лоури является передача протона от кислоты к основанию. При этом в любом кислотно-основном взаимодействии участвуют две пары сопряженных кислот и оснований (протолитов):

 

Растворители, которые являются протолитами по отношению к растворенным веществам, называются протонными растворителями. К их числу относятся вода H2O, аммиак NH3, фтороводород HF, уксусная кислота CH3COOH и др. Главное из свойств всех протонных растворителей — способность их молекул к автопротолизу: каждый протонный растворитель является амфолитом по отношению к самому себе[1].

Реакция автопротолиза в общем виде отвечает уравнению:

 

При этом образуются так называемые лионий (катион растворителя) H2L+ (кислота сопряженной пары H2L+ / HL) и лиат (анион растворителя) L- (основание сопряженной пары HL / L-)[1]. Так, для воды автопротолиз протекает с образованием катионов гидроксония H3O+ и гидроксид-ионов, OH-):

 

Это равновесие называется равновесием автопротолиза воды.

Автопротолиз характерен не только для воды, но и для многих других протонных растворителей, молекулы которых связаны между собой водородными связями, например, для аммиака, метанола и фтороводорода:

 
 
 

Константа автопротолизаПравить

Применение закона действующих масс к равновесной гомофазной реакции автопротолиза позволяет получить количественную характеристику — константу автопротолиза (иначе ионное произведение) растворителя KS. Термин «константа автопротолиза» используется обычно в протолитической теории, а «ионное произведение» — в теории электролитической диссоциации[2].

Для протонного растворителя HL может быть записана соответствующая константа равновесия:

 

Степень протолиза очень мала и, следовательно, равновесная молярная концентрация непротолизованных молекул растворителя [HL] практически равна исходной концентрации этого растворителя CHL, то есть постоянна.

Объединяя постоянные Kс и [HL]2 в одну константу Kс · [HL]2 и обозначая её Ks, получим выражение:

 

Величина Ks — константа автопротолиза или ионное произведение растворителя — служит количественной характеристикой реакции автопротолиза данного растворителя. Константа автопротолиза является постоянной величиной для данной температуры и данного растворителя.

Например, для уксусной кислоты:

 

Поскольку значения констант автопротолиза очень малы, на практике для удобства пользуются величиной, которая называется «показатель константы автопротолиза». Она рассчитывается как отрицательный десятичный логарифм константы автопротолиза:

 

Показатели констант автопротолиза некоторых растворителей приведены в таблице[3].

Растворитель pKs
Диметилсульфоксид 33,3
Аммиак (жидкий) 32,5
Ацетонитрил 32,2
Метилэтилкетон 25,7
Гидразин 24,7
трет-Бутиловый спирт 22,8
Изоамиловый спирт 21,4
Ацетон (енольная форма) 21,1
Уксусная кислота (безводная) 12,6
Вода 14,0
Фтороводород 10,0
Муравьиная кислота 6,30
Серная кислота 5,0

Автопротолиз водыПравить

Основная статья: Ионное произведение воды

Наиболее важное значение имеет автопротолиз воды. Константа автопротолиза для воды обычно называется ионным произведением воды и обозначается как  . Ионное произведение численно равно произведению равновесных концентраций ионов гидроксония и гидроксид-анионов. Обычно используется упрощенная запись:

 

При стандартных условиях ионное произведение воды равно 10−14. Оно является постоянной не только для чистой воды, но также и для разбавленных водных растворов веществ. Автопротолиз воды объясняет, почему чистая вода, хоть и плохо, но всё же проводит электрический ток.

На основе ионного произведения воды вычисляются водородный показатель и константа гидролиза солей, константа сольватации (произведение растворимости) — важнейшие характеристики равновесных процессов в растворах электролитов.

ЛитератураПравить

  • Угай Я. А. Общая и неорганическая химия. — Москва: Высшая школа, 1997. — 527 с.
  • Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. — Москва: Высшая школа, 2001. — С. 209. — 743 с. — ISBN 5-06-003363-5.

См. такжеПравить

ПримечанияПравить

  1. 1 2 Протонные растворители и их автопротолиз / Протолитические равновесия. Авторы: проф. Р. А. Лидин, проф. Л. Ю. Аликберова. Под общей редакцией проф. Б. Д. Стёпина. Методическое пособие. — М., МИТХТ, 2001 г.
  2. Константа автопротолиза (ионное произведение) / Жуков С. Т. Химия. 10-11 класс.
  3. Показатели констант автопротолиза рКs и диэлектрические проницаемости ε некоторых неводных растворителей. — справочная таблица. Дата обращения 28 августа 2011. Архивировано 26 августа 2012 года.