Chapter 4: Chemical Quantities and Aqueous Reactions

Back to chapter

4.12:

Кислоты, основания и реакции нейтрализации

JoVE 核
化学

需要订阅 JoVE 才能查看此. 登录或开始免费试用。

JoVE 核化学

Acids, Bases and Neutralization Reactions

Previous Video
4.11: Oxidation Numbers

Next Video
4.13: Synthesis and Decomposition Reactions

Languages

English العربية 中文 Nederlands français Deutsch עברית italiano 日本語 한국어 português русский español Türkçe

Человеческий желудок это мышечный орган, содержащий желудочный сок, в том числе соляную кислоту, который помогает переваривать пищу. Некоторые виды продуктов повышают кислотность желудка, вызывая кислотный рефлюкс. Употребление щелочной пищи или основных соединений, таких как антацид, нейтрализует избыток кислоты, снимая ощущение жжения.Это пример кислотно-щелочной реакции. Самые простые кислоты это вещества, содержащие диссоциируемые атомы водорода. В водных растворах они образуют положительно заряженные ионы водорода или протоны вместе с соответствующими анионами.Протоны реагируют с молекулами воды с образованием ионов гидроксония. Например, водный раствор азотной кислоты содержит ионы гидроксония и нитрат-ионы. Другими широко известными кислотами являются соляная кислота, серная кислота и фосфорная кислота.Кислоты бывают одноосновными или многоосновными, в зависимости от количества диссоциирующих атомов водорода в молекуле. Соляная кислота и азотная кислота с одним диссоциирующим атомом водорода являются примерами одноосновных кислот, в то время как серная кислота и фосфорная кислота являются многоосновными. Серная кислота является дипротонной и последовательно выделяет два своих протона, тогда как фосфорная кислота является трипротонной и последовательно диссоциирует в три этапа.Самыми простыми основаниями являются соединения, образующие отрицательно заряженные гидроксид-ионы в водных растворах. Легко идентифицируемые основания содержат гидроксильные группы;например, гидроксид натрия, гидроксид калия и гидроксид кальция. Такие основания при добавлении в воду диссоциируют на ионы гидроксида и соответствующие катионы металлов.Негидроксидные основания, такие как аммиак, реагируют с водой, принимая протоны от молекул воды с образованием ионов аммония и гидроксид-ионов. Обычно кислота и основание реагируют с образованием воды и соли. Кислотно-основные реакции также называются реакциями нейтрализации, когда моли протонов, поставляемых кислотой, и моли гидроксид-ионов, поставляемых основанием, равны.Например, когда смешиваются равные количества водной азотной кислоты и водного гидроксида калия, количества ионов гидроксония и гидроксид-ионов, высвобождаемых в раствор, также равны. Следовательно, ионы гидроксония и гидроксид-ионы полностью нейтрализуют друг друга, объединяясь с образованием воды, не оставляя после себя ионов гидроксония или гидроксид-ионов. Кроме того, нитрат-анионы и катионы калия соединяются с образованием соли нитрата калия.Некоторые реакции нейтрализации протекают с выделением газа. Например, соляная кислота и сульфит калия реагируют с образованием хлорида калия, воды и газообразного диоксида серы через систему равновесия сульфит-бисульфит.

4.12:

Кислоты, основания и реакции нейтрализации

Кислотно-основная реакция — это реакция, при которой ион водорода, H⁺, переносится из одного химического вида в другой. Такие реакции имеют решающее значение для многочисленных природных и технологических процессов, начиная от химических преобразований в клетках или озерах и океанах до промышленного производства удобрений, фармацевтических препаратов и других веществ, необходимых для общества.

Существует несколько способов определения кислоты. В контексте водных растворов кислота является веществом, растворяющееся с получением ионов водорода.

Это определение Аррениуса кислоты, названное в честь шведского химика Сванте Аррениуса (1859–1927). Ион водорода, представленный символом H⁺, называется протоном. В раствор протоны химически объединяются с молекулами воды через неподелённые пары кислорода, образуя гидрониевые ионы, H₃О⁺.

Химическое уравнение для ионизации кислоты записывается как

Кислоты, полностью реагируя водой таким образом, называются сильными кислотами. HCl, HNО₃ и HBR являются несколькими примерами.

Большинство кислот, встречающихся в повседневной жизни, являются слабыми кислотами. В качестве примера можно привести лимонную кислоту во фруктах, уксусную кислоту в уксусе и молочную кислоту в молоке. Знакомым примером слабой кислоты является уксусная кислота, основной ингредиент пищевого уксуса. При растворении в воде в обычных условиях в ионизированной форме присутствует только около 1% молекул уксусной кислоты CH₃CO₂⁻.

Использование двойной стрелки в приведенном выше уравнении обозначает аспект частичной реакции этого процесса.

Основание – это вещество, растворяется в воде для получения ионов гидроксида, OH^–. Наиболее распространенными основаниями являются ионные соединения, состоящие из щелочных или щелочных металлических катионов земли (группы 1 и 2) в сочетании с гидроксидным ионом, например, NaOH и Ca(OH)₂. В отличие от ранее обсуждавшихся кислых соединений, эти соединения не вступают в химическую реакцию с водой; вместо этого они растворяются и диссоциируют, высвобождая ионы гидроксида непосредственно в раствор. Например, KOH и Ba(OH)₂ растворяются в воде и полностью диссоциируются для производства катионов (K⁺ и Ba2⁺ соответственно) и ионов гидроксида, OH^–. Эти основания, наряду с другими гидроксидами, полностью диссоциирующими в воде, считаются сильными основаниями.

Рассмотрим растворение гидроксида натрия в воде в качестве примера:

Это уравнение подтверждает, что гидроксид натрия является основанием. При растворении в воде NaOH диссоциирует для получения ионов Na⁺ и OH^.Это также относится к любому другому ионному соединению, содержащему ионы гидроксида. Поскольку процесс диссоциации в основном завершен, когда ионные соединения растворяются в воде в типичных условиях, NaOH и другие ионные гидроксиды классифицируются как сильные основания.

В отличие от ионных гидроксидов, некоторые соединения производят ионы гидроксида при растворении химически реагируя с молекулами воды. Во всех случаях эти соединения реагируют только частично, и классифицируются как слабые основания. Эти типы соединений также изобилуют по своей природе и являются важными товарами в различных технологиях. Например, глобальное производство слабого базового аммиака, как правило, значительно превышает 100 метрических тонн в год, поскольку он широко используется в качестве сельскохозяйственных удобрений, сырья для химического синтеза других соединений и активного ингредиента бытовых чистящих средств. При растворении в воде аммиак частично реагирует на ионы гидроксида, как показано ниже:

Это, по определению,кислотно-основная реакция, включающая перенос ионов H+ из молекул воды в молекулы аммиака. В типичных условиях в виде ионов NH₄⁺ присутствует только около 1% растворенного аммиака.

Реакция нейтрализации — это специфический тип кислотно-основной реакции, в которой реагентами являются кислота и основание (но не вода), а продукты – соль и вода:

Чтобы проиллюстрировать реакцию на нейтрализацию, подумайте, что происходит, когда типичный антацид, например, молоко магнезии (водная суспензия цельного Mg(OH)₂) проглатывается, чтобы облегчить симптомы, связанные с избытком желудочной кислоты (HCl):

Обратите внимание, что в дополнение к воде в результате этой реакции образуется соль, хлорид магния. H⁺ (aq) из кислоты (сильной или слабой) соединяется с OH^– (aq) из основания (или вырабатывается в результате реакции слабого основание с водой) с образованием H2O (l). Например, реакция водных растворов HCl (сильной кислоты) и NaOH (сильной основание) написана следующим образом: