Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Ионные равновесия в водных растворах

Таланов В. М., Житный Г. М.,

1.1. Равновесия с переносом протонов (кислотно-основные равновесия)

Одной из самых многочисленных групп химических реакций, протекающих в водных растворах, являются так называемые донорно-акцепторные взаимодействия. Их сущность заключается в том, что реагирующие частицы, находящиеся в растворе, обмениваются между собой электронами, протонами, молекулами или ионами. При этом одна из взаимодействующих частиц теряет перечисленные обмениваемые частицы Х и называется донором D (от лат. donno - "дарю"), а другая их приобретает и играет роль акцептора А (от лат. acceptor - "принимающий").

Процесс донорно-акцепторного взаимодействия удобно разделить на две полуреакции, суммирование которых описывает сущность рассматриваемого процесса:

D1 -> А1+ nX (1)

A2 + nX -> D2 (2)

D1 + A2-> A1 + D2 (3)

Как полуреакции (1) и (2), так и суммарная реакция (3) являются в общем случае обратимыми процессами. Когда, например, полуреакция (1) протекает в прямом направлении, то частица D1проявляет свои донорные свойства, отщепляя n частиц Х. Если рассматривать протекание той же полуреакции в обратном направлении, то А1ведет себя как акцептор и, присоединив nX, превращается в D1. Донор и акцептор, принадлежащие к одной и той же полуреакции, называются сопряженными, таковыми являются D1и А1(1-я полуреакция), а также D2и А2(2-я полуреакция).

Отдельно взятая полуреакция особого смысла не имеет, так как не способна протекать самопроизвольно, независимо от других полуреакций; она лишь выражает потенциальную возможность одной частицы быть донором, а другой - акцептором. Действительно, частица D только тогда может реально проявить свои донорные свойства, когда имеется потребитель для отщепляемых частиц Х и, таким образом, равновесие (1) смещается в правую сторону. Аналогично, смещение этого равновесия в левую сторону возможно только при условии, если имеется источник частиц Х, которые А может присоединить к себе, проявляя свои акцепторные свойства.

Потенциальные возможности донора D1и акцептора А1реализуются только тогда, когда одна сопряженная донорно-акцепторная пара D11взаимодействует с другой сопряженной парой D22. В этом случае система содержит два акцептора А1и А2, конкурирующих между собой за обладание обмениваемыми частицами Х, а также два донора D1и D2, которые также конкурируют между собой, стараясь отдать частицы Х. Конечным результатом будет переход частиц Х от более "сильного" донора к более "сильному" акцептору. Если донор D1"сильнее" донора D2, а акцептор А2"сильнее" акцептора А1, то суммарная реакция заключается во взаимодействии D1и А2с образованием в качестве продуктов D2и А1, то есть преобладать будет прямое направление реакции (3). Если же, наоборот, донор D2"сильнее" D1, а акцептор А1"сильнее" А2, то реакция (3) преимущественно протекает в обратном направлении. Сказанное можно иллюстрировать следующей схемой:

.

Под силой донора и акцептора подразумевается количественная мера их способности соответственно отдавать или присоединять обмениваемые частицы Х. Из сказанного вытекает, что, чем сильнее донор данной донорно-акцепторной пары, тем слабее ее акцептор, и наоборот. Количественно сила донора или акцептора оценивается по-разному, в зависимости от конкретного типа донорно-акцепторного взаимодействия. Уточнение этого понятия будет дано при рассмотрении соответствующих равновесий.

Поскольку любая донорно-акцепторная реакция, протекающая в водном растворе, представляет собой сочетание двух сопряженных донорно-акцепторных пар, то в целом такие реакции носят название реакций двойного сопряжения.

В зависимости от природы обмениваемых частиц Х донорно-акцепторные реакции в водных растворах подразделяются на следующие типы:

1. Равновесия с переносом протонов. В данном случае переносимой (обмениваемой) частицей является протон Н+. Данный тип реакций охватывает весь спектр кислотно-основных равновесий. Донором протона являются кислоты, а акцептором – основания.

Пример: HF + NH3D F+ NH4+.

Данная реакция может быть представлена как совокупность двух полуреакций:

.

При схематической записи сопряженных кислотно-основных пар принято над чертой записывать кислоту данной пары, а под чертой - основание. Таким образом, реакция, рассматриваемая в данном примере, представляет собой сочетание сопряженных кислотно-основных пар HF/Fи NH4+/NH3.

В водных растворах очень часто полноправным участником кислотно-основных равновесий является вода, молекулы которой способны играть роль как кислоты, так и основания:

.

2. Равновесия с переносом электрона. Если обмениваемой частицей Х является электрон, то речь идет об окислительно-восстановительных реакциях, например:

Ce4++ Fe2+DCe3++ Fe3+

Эта реакция представляет собой сопряжение двух окислительно-восста­нови­тельных пар:

Ce4+ + e DCe3+; Ce4+/ Ce3+

Fe2+ - e DFe3+; Fe3+/ Fe2+

Заметим, что при символическом изображении сопряженной окислительно-восстановительной пары окислитель этой пары (акцептор электронов) записывается над чертой, а восстановитель (донор электронов) – под чертой.

3. Равновесия с переносом молекул, ионов или атомов. Здесь роль обмениваемой частицы могут играть электрически нейтральные молекулы (чаще всего H2O и NH3), ионы (как правило, анионы, например CN, F, NO2и т.д.), реже - атомы (например, О, Н и т.д.), которые носят общее название лигандов:

FeF2++ Al3+DFe3++ AlF2+

При протекании данной реакции в прямом направлении донором является частица FeF2+, а акцептором - Al3+. Роль лиганда играет анион F.

Общепринятого символического обозначения сопряженных донорно-акцепторных пар в этом случае не существует.


Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074