Итак , начнем с классического определения таких, казалось бы общеизвестных понятий как «кислота» и «основание». Как известно, классические определения этих понятий основываются на характеристиках кислотно-основного взаимодействия, т. е. на реакциях между веществами принадлежащим к классам «кислот» и «оснований».
Согласно принятому определению кислота – это вещество, которое при растворении в воде, отщепляет катионы водорода H(+) , а основание- вещество, которое при растворении в воде отщепляет анионы гидроксила OH(-) .Определение правильное, и казалось бы достаточно простые, однако, эти определения можно считать верными только в определенных границах, в которых они могут быть применимы, как говорят более научно- определения достаточны и верны только в первом приближении.
Но, что здесь может быть не достаточно определено?! Для того, чтобы это понять нам необходимо рассмотреть несколько не очевидных закономерностей. Начнем с того, что катион водорода H(+) отщепление которого в соответствии с приведенной формулировкой служит основным признаком кислоты, существовать самостоятельно в растворе не может. Катион водорода H(+) - это протон , частица несущая положительный заряды очень маленьким радиусом и благодаря этому обладающая электростатическим очень большой напряженности. В этом поле поле молекулы-магнитики ( диполи) воды, конечно же притянутся к протону с соединятся с ним. Правомерно считать, что хотя бы одна молекула воды в растворе очень прочно соединена с катионом Н (+) , образуя при этом катион гидроксония HзО(+) ( в действительности к протону присоединяется большее число молекул, но ради упрощения, будем полагать, что присоединение ограничивается катионом HзО(+) ). Важно заметить, что взаимодействие с растворителем является обязательным условием появления ионов в растворе, поэтому процесс, в результате которого в растворе появляются ионы, для какой-либо кислоты НА ( А- любой анион, например Cl(-), NOз(-) , CHзСОО(-) запишется в следующем виде:
Следующая закономерность касается растворителя, о котjром идет речь в приведенных выше формулировках определений понятий «кислота» и «основание». Если следовать этим определениям, получается, что кислоты и основания могут быть только в водных растворах!Вода, как мы отмечали ранее, является жидкостью, но настолько ли, чтобы владеть исключительным правом образовывать растворы кислот и оснований?!
Конечно же это не так! Если растворить, например, азотную кислоту HNOз в каком-либо неводном растворителе, например в этиловом спирте C2H5OH то мы убедимся, что образовавшийся раствор мало чем будет отличаться от водного раствора азотной кислоты ( самое существенное расхождение будет состоять в том, что азотная кислота в спиртовом растворе, в отличие от водного- слабый электролит). «Голый» протон не может существовать в таком растворе . Именно поэтому он там и присоединяет молекулу спирта, а сам процесс возникновения ионов в спиртовом растворе для кислоты НА будет записываться так:
А теперь перечитайте еще раз приведенное выше классическое определение понятия «кислота». Что же от него остается?! Очень немного. Очевидно, абсолютно не обязательно растворять кислоту в воде- растворитель, может быть и другое вещество! Кроме этого отщепляется не просто гипотетический катион водорода Н(+) гораздо более сложная частица! Интересно отметить, что в различных растворителях одна и та же кислота дает разные катионы. Получается, что надо искать новое определение! Таким образом мы незаметно для себя сформулировали одно очень важный и характерный признак кислоты в рамках теории электролитической диссоциации, а именно: оказывается кислота проявляет свои свойства только в растворе, причем при этом роль растворителя проявляется прежде всего в химическом взаимодействии с молекулой кислоты!
Чтобы разобраться более точно и подробно что такое «кислота» и «основание»,Ю нам необходимо познакомится с одной из очень интересных теорий, которая называется «теорией сольвосистем» ( от анг. solvent- растворитель)
Теория сольвосистем основана на том, что…, так можно было бы начать краткий обзор этой любопытной теории, однако мы начнем его несколько иначе и немного отвлечемся от «скучного изложения» фактов. В замечательной полной юмора и необыкновенно смелой научной иронии книге польского писателя-фантаста прошлого века- Станислава Лема под названием «Звездные дневники Йона Тихого» рассказывается о его 25-м космическом путешествии на планету Огненную.
Планета была ничем не примечательной, относилась к группе планет «земного типа», если не считать, одной интересной особенности ,- воду на этой планете заменяет жидкий…. Аммиак!
Аммиак полностью заменяет воду на Огненной.Все процессы на этой фантастической планете осуществляются в аммиачных растворах!
Путешествуя по этой необычной планете Йон Тихий , узнал, что жители этой планеты интересовались видами на урожай «нашатыря»…
Вернемся ненадолго к изложению «скучных» фактов теории «сольвосистем». Как уже говорилось ранее данная теория построена на том, что многие если не все растворители, подобно воде обладают способностью к самодиссоциации ( автоионизации). Напомним подробнее о чем именно идет речь.При изучении теории электролитической диссоциации в школе, сговорится, что вода, хотя в малой степени, самопроизвольно распадается на ионы:
Становится понятно, что приведенное уравнение нуждается в серьезном уточнении. Мы упоминали ранее о том, что «голый» протон в растворе существовать не может , а это означает, что присоединяя молекулу воды он превращается в катион гидроксония по уравнению:
Следовательно, процесс автоионизации воды правильно записать так:
Если посмотреть на уравнение электролитической диссоциации (1.1) , Вы сразу заметите, что диссоциация кислоты приводит к появлению в растворе такого же катиона, которое при растворении образует катион, одноименный с катионом, образующимся в процессе диссоциации воды! Соответственно основанием будет такое вещество которое дает анион одноименный с анионом , образующимся при самодиссоциации воды. Определение получились «громоздкими», он они являются верными.
Таким образом мы выяснили, что кислоты и основания могут быть не только в водных растворах т.к. процессу автоионизации подвергаются все иные растворители!
Обратите внимание на то, что процессы автоионизации воды и аммиака очень похожи друг на друга как… А почему «похожи», - по сути это процессы тождественной природы: от одной молекулы растворителя «отрывается» протон, который присоединяется к молекуле. Молекула, потерявшая протон, заряжается отрицательно и следовательно, становится анионом ( OH(-), NH2(-) ) , а молекула, захватившая протон, становится катионом ( HзО(+) , NH4(+) ).
При растворении в воде хлористого водорода кислота образуется в результате химического взаимодействия:
Точно по такой же схеме образуется раствор кислоты в аммиаке
Из приведенных уравнений следует, что хлористый аммоний, "нашатырь" NH4Cl, в жидком аммиаке аммиаке – кислота, подобная соляной в воде. В итоге мы пришли к любопытному и важному заключению- в каждом растворителе имеется «своя» система, своя сольвосистема «кислот и «оснований».
Еще раз посмотрев на уравнение реакции автоионизации аммиака (1.6) мы можем сразу догадаться, какое соединение ( вещество) будет в этом растворителе проявлять свойства основания. Возьмем например такое вещество как амид натрия - NaNH2 ,- в жидком аммиаке оно будет основанием, подобным едкому натру ( гидроксиду натрия) в воде. Теперь Вы сможете сами сопоставить две реакции нейтрализации и убедиться в том, что они протекает по одному и тому же механизму;
Получается, что «теория сольвосистем» может привести к очень интересной мысли: поскольку химические процессы, в частности реакции кислотно-основного взаимодействия, могут протекать не только в воде, но и в любых других растворителях, то … является ли вода обязательным условием возникновения и существования жизни, как об этом часто пишут в различных книгах? Почему бы не существовать различным формам жизни в различных растворителях, хотя бы в том же аммиаке, как известно согласно астрономическим данным существуют планеты, поверхность которых покрыта океанами жидкого аммиака ( или жидкого метана) ?
Возвращаясь к фантастической повести о путешествии Йона Тихого на планету Огненная, хотелось бы заметить, что кое-что в ней могло бы быть отчасти правдой…. Кто знает, многие явления могут оказаться реальностью,- на настоящее время человек пока никогда не покидал свою планету, и не видел «своими глазами» чужих миров, поэтому никто ничего не может знать абсолютно точно и достоверно
Чтобы подойти к завершению вопроса, озвученного в названии статьи, нам следует кратко рассмотреть еще одну важную теорию, занимающую важное положение в мире научной теоретической химии, а именно «химическую теорию кислот и оснований», о ней пойдет речь во второй части статьи.
Продолжение следует
