§ 31. Теории кислот и оснований

Определения и обозначения

По теории Аррениуса кислота — вещество, которое в водном растворе образует ионы H⁺. По теории Брёнстеда—Лоури кислота — частица, отдающая протон, то есть ион H⁺; по теории Льюиса кислотой называют акцептор электронной пары. Эти определения помогают выбрать подходящую модель для объяснения реакции.

По Аррениусу основание образует в водном растворе ионы OH⁻. В теории Брёнстеда—Лоури основание принимает протон, а в теории Льюиса предоставляет электронную пару. Такое сравнение показывает, почему основанием может быть частица без группы OH.

Сопряжённая кислотно-основная пара — это частицы, отличающиеся одним протоном. Отдав протон, кислота превращается в сопряжённое основание; присоединив его, основание становится сопряжённой кислотой. Понятие пары позволяет проследить перенос протона в уравнении реакции.

Амфолит — частица, способная в зависимости от партнёра отдавать или присоединять протон. Вода служит примером: в одной реакции она может быть кислотой, в другой — основанием. Это понятие объясняет, почему роль вещества определяется не только его составом, но и участником взаимодействия.

Как это устроено

Теория Аррениуса описывает кислотные и основные свойства через ионы, возникающие при растворении вещества в воде. Кислота увеличивает содержание H⁺, а основание — OH⁻, поэтому по этой модели удобно разбирать электролиты в водном растворе. Но модель привязана к воде и к указанным ионам: взаимодействие вне водного раствора она объясняет ограниченно.

Брёнстед и Лоури сосредоточились на переносе протона от одной частицы к другой. Кислота отдаёт протон, а основание принимает его; после этого меняются обе частицы, поэтому в уравнении возникают две сопряжённые пары. Такой подход не требует, чтобы исходное основание уже содержало OH⁻: достаточно способности присоединить протон.

В реакции NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻ вода передаёт протон аммиаку. Значит, H₂O здесь кислота, а NH₃ — основание; после передачи образуются OH⁻ и NH₄⁺. Вода и OH⁻ образуют одну сопряжённую пару, а NH₄⁺ и NH₃ — другую. Этот пример показывает относительность роли: воду называют кислотой именно в реакции с аммиаком.

Теория Льюиса объясняет реакцию через электронную пару, то есть два электрона, участвующие в образовании химической связи. Основание предоставляет такую пару, а кислота принимает её. Поскольку новая связь может возникнуть без передачи протона, модель применима к более широкому кругу взаимодействий, чем протонная теория.

Теории различаются не тем, что одна всегда верна, а остальные ошибочны, а тем, какие процессы каждая описывает. Аррениус рассматривает образование характерных ионов в воде, Брёнстед—Лоури — перенос протона, Льюис — передачу электронной пары. Поэтому при разборе реакции сначала выясняют, что именно в ней происходит, и выбирают соответствующее определение.

Сравнение теорий кислот и оснований

Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите наблюдаемый процесс: образование ионов в воде, перенос протона или образование связи за счёт электронной пары. Затем прочитайте в соответствующем столбце, кого считать кислотой и основанием. Если подходит несколько моделей, каждая может описывать свой аспект реакции.

Разбор задач

Задача 1. Для реакций HCl + H₂O → H₃O⁺ + Cl⁻ и NaOH → Na⁺ + OH⁻ определите кислоты и основания по Аррениусу и Брёнстеду—Лоури.

1. В реакции HCl с водой HCl передаёт протон молекуле H₂O, образуя H₃O⁺ и Cl⁻. Значит, по Брёнстеду—Лоури HCl — кислота, а H₂O — основание.
2. По Аррениусу водный раствор HCl даёт ионы H⁺, поэтому HCl относят к кислотам. NaOH диссоциирует на Na⁺ и OH⁻, значит, по Аррениусу это основание.
3. Вторая запись показывает диссоциацию, а не перенос протона между двумя частицами. По ней нельзя выделить пару кислота—основание Брёнстеда—Лоури без дополнительного участника реакции.

Ответ: по Аррениусу HCl — кислота, NaOH — основание; в первой реакции по Брёнстеду—Лоури HCl — кислота, H₂O — основание.

Задача 2. Для реакции NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻ укажите кислоту, основание и сопряжённые пары по теории Брёнстеда—Лоури.

1. Сравните NH₃ и NH₄⁺: в продукте NH₄⁺ на один протон больше. Значит, аммиак принял протон и является основанием, а NH₄⁺ — его сопряжённой кислотой.
2. Сравните H₂O и OH⁻: вода потеряла один протон. Она выступает кислотой, а OH⁻ становится её сопряжённым основанием.
3. Проверьте, что обе пары отличаются ровно одним протоном. Получаются пары NH₄⁺/NH₃ и H₂O/OH⁻.

Ответ: кислота — H₂O, основание — NH₃; сопряжённые пары — H₂O/OH⁻ и NH₄⁺/NH₃.

Задача 3. В реакции BF₃ + NH₃ → F₃B←NH₃ определите кислоту и основание по Льюису и объясните образование связи.

1. Найдите частицу с электронной парой, способной участвовать в связи. У атома азота в NH₃ есть такая пара, поэтому аммиак — основание Льюиса.
2. Определите, какая частица принимает эту пару. BF₃ принимает её от NH₃, следовательно, BF₃ — кислота Льюиса.
3. Стрелка в записи показывает направление от донора электронной пары к акцептору. Протон в этой реакции не переносится.

Ответ: NH₃ — основание Льюиса, BF₃ — кислота Льюиса; связь образуется за счёт предоставленной азотом электронной пары.

Типичные ошибки

• Ошибка — считать, что кислота обязательно содержит водород. Это ожидание возникает из привычных кислотных формул, но в модели Льюиса кислотой служит акцептор электронной пары, например BF₃. Проверьте себя: ищите не только атом H, но и частицу, принимающую пару электронов.

• Ошибка — требовать от основания Брёнстеда—Лоури группу OH. Так думают, если смешивают это определение с определением Аррениуса для водных растворов. Проверка простая: выясните, принимает ли частица протон; NH₃ принимает его и потому является основанием.

• Ошибка — менять местами донора и акцептора протона. Путаница возникает из-за того, что обе частицы участвуют в одном переносе. Проследите, где протон был до реакции и где оказался после: отдающая его частица — кислота, принимающая — основание.

• Ошибка — считать определения Аррениуса и Брёнстеда—Лоури полностью одинаковыми. Обе теории связаны с кислотно-основными свойствами, но первая описывает образование ионов в воде, а вторая — передачу протона. Чтобы проверить выбор, спросите себя, обязательна ли для рассматриваемого объяснения вода.

Связь с другими темами

Для изучения темы нужны знания о составе атома и иона, зарядах частиц, электролитах и электролитической диссоциации. Представления о химической связи и электронных парах помогают понять теорию Льюиса. Позже эти модели пригодятся при изучении кислотно-основных реакций и свойств веществ. Сопряжённые пары также помогают объяснять гидролиз солей и кислотно-основное равновесие.

Что запомнить

• По Аррениусу кислота и основание рассматриваются в водном растворе.

• По Брёнстеду—Лоури кислота отдаёт протон, основание принимает его.

• Кислота и её сопряжённое основание отличаются одним протоном.

• Вода может быть кислотой и основанием — это амфолит.

• По Льюису кислота принимает электронную пару, а основание предоставляет её.

• Теории различаются областью применения и не сводятся к одному определению.