2.5: Протон

Last updated
Save as PDF

Page ID: 18049

Andrew R. Barron
Rice University via CNX

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Протон, H ⁺, - це назва водню в ступені окислення +1.

Газова фаза

Протон може утворюватися в результаті фотолізу атомного водню в паровій фазі при низькому тиску.

\[H^._{(g)} + h\nu \rightarrow H^+_{(g)} + e^-_{(g)}\]

Протон є більш реактивним, ніж атом водню через його високу щільність заряду. Крім того, малий іонний радіус протона, 1,5 х 10 ^-15 см, означає, що він може наблизитися до інших атомів і, отже, утворювати міцні зв'язки.

\[H^+_{(g)} + NR_3 \rightarrow HNR^+_{3(g)}\]

Міцність зв'язуючої взаємодії така, що її дуже важко виміряти безпосередньо. Замість цього відносна міцність зв'язку між протоном і відповідною основою, B ₁, вимірюється за наявності конкуруючої основи, B ₂.

\[B_1H^+_{(g)} + B_{2(g)} \leftrightharpoons B_2H^+_{(g)} + B_{2(g)}\]

При вимірюванні реакції обміну вимірюють відносну спорідненість протонів B ₁ і B ₂. Це також відоме як кислотність газової фази, і як така вона є мірою властивої кислотності виду X-H, оскільки вона усуває будь-які ефекти розчинника.

Рідина і розчин

Висока реакційна здатність протона означає, що він не існує вільного в розчині. Однак існує багато видів, що містять H ⁺. Вони, як правило, класифікуються як кислоти.

\[ B_1H^+_{(sol)} + B_{2(sol)} \leftrightharpoons B_2H^+_{(sol)} + B_{1(sol)} \\ \text{acid base acid base}\]

Реакція між кислотою і підставою являє собою реакцію перенесення протонів. Поки протон рухається від B ₁ до B ₂, він ніколи не буває вільним у розчині. Замість мостового перехідного стану або проміжного формується B ₁ ^...Н ^+...Б ₂.

Кислотність і рН

Найпоширенішим розчинником для Н+ є вода. Кислу форму зазвичай визначають як іон гідронію або H ₃ O ⁺, (2.5.5). Терміни оксоній, гідроксоній і оксиданіум також використовуються для H ₃ O ⁺. Хоча ми зазвичай використовуємо H ₃ O ⁺, з спектроскопії відомо, що утворюються більші комплекси, такі як H ₉ O ₄ ⁺ (рис\(\PageIndex{2}\). 10).

\[H_2O + H^+ \rightarrow H_3O^+ \]

Малюнок <проліт перевести = — Малюнок\(\PageIndex{10}\): Структура Н ₉ О ₄ ⁺.

Кислоти і основи характеризувалися цілою низкою різних способів. У 1680 році Роберт Бойл (рис\(\PageIndex{2}\). 11) визначив кислоту як з'єднання, яке розчиняло багато інших сполук, мало кислий смак і вступало в реакцію з лугом (основою).

Просте спостережливе опис Бойля було раціоналізовано датським фізичним хіміком Йоганнесом Бронстедом (\(\PageIndex{2}\)рис. 12). Бронстед запропонував, що кислоти є донорами протонів, а основи - акцепторами протонів. Кислотно-лужна реакція - це та, при якій протон переноситься від донора протона (кислоти) до протонного акцептора (основи). На підставі пропозиції Бронстеда прості кислоти містять іонізуючий протон. Приклади простих кислот включають нейтральні молекули (HCl, H2SO4), аніони (HSO ₄ ^-, H ₂ PO ₄ ^-) та катіони (NH ₄ ⁺). До найбільш поширених основ Бронстеда відносяться гідроксиди металів (МОН).

Бронстед зазначив, що коли кислота дарує протон, вона утворює кон'югатну основу. Нижче наведені приклади кислоти та її кон'югатної основи.

\[ H_2O \space\space \rightarrow H^+ + OH^- \\ \text{acid conjugate base}\]

\[ H_2SO_4 \space\space \rightarrow H^+ + HSO^-_4 \\ \text{acid conjugate base}\]

\[NH^+_4 \space\space\space\space \rightarrow H^+ + NH_3 \\ \text{acid conjugate base}\]

Вправи

Вправа\(\PageIndex{1}\)\

Що таке кон'югатна основа HCl?

Відповідь: Кл ^-

Вправа\(\PageIndex{2}\)\

Що таке сполучена основа HSO ₄ ^-

Відповідь: ТАК ₄ ^2-

Вправа\(\PageIndex{3}\)\

Що таке сполучена основа [Al (H ₂ O) ₆] ³⁺

Відповідь: [Аль (Н ₂ О) ₅ (ОН)] ²⁺

Те ж саме відбувається, коли основа приймає протон, він утворює кон'югатну кислоту. Нижче наведені приклади основи та її кон'югатної кислоти.

\[ H_2O \space\space + \space\space H^+ \rightarrow H_3O^+ \\ \text{base conjugate acid}\]

\[HCO^-_3 \space\space + \space\space H^+ \rightarrow H_2CO_3 \\ \text{base conjugate acid}\]

\[F^- \space\space + \space\space H^+ \rightarrow HF \\ \text{base conjugate acid}\]

Вправи

Вправа\(\PageIndex{4}\)\

Що таке кон'югатна кислота NH ₃?

Відповідь: NH ₄ ⁺

Вправа\(\PageIndex{5}\)\

Що таке кон'югатна кислота S ^2-?

Відповідь: HS ^-

Вправа\(\PageIndex{6}\)\

Що таке кон'югатна кислота СО ₃ ^2-?

Відповідь: ГСО ₃ ^-

Таким чином, реакція між кислотою і підставою призводить до утворення відповідної кон'югатної основи і кон'югатної кислоти.

\[acid_1 + base_1 \leftrightharpoons acid_2 + base_2 \]

Конкретний приклад виглядає наступним чином:

\[HNO_3 + NH_3 \leftrightharpoons NH^+_4 + NO^-_3 \\ acid_1 \space\space\space\space base_1 \space\space\space\space\space\space\space acid_2 \space\space\space\space base_2\]

Вправа\(\PageIndex{7}\)

Що таке кон'югатна кислота і основа утворюються в результаті реакції NH ₄ ⁺ з S ₂ ⁺?

Відповідь: \[NH_4^+ + S^{2-} \leftrightharpoons HS^- + NH_3 \\ acid_1 \space\space\space\space base_1 \space\space\space\space\space\space\space acid_2 \space\space\space\space base_2\]

У реакціях рівноваги, показаних у (2.12) та (2.13), існує конкуренція між двома базами для протона. Як і слід було очікувати, перемагає найсильніша база.

Коли сильна кислота додається (розчинена в) воді, вона вступає в реакцію з водою як основа:

\[HCl + H_2O \leftrightharpoons H_3O^+ + Cl^- \\ acid \space\space\space\space base \space\space\space\space\space\space\space acid \space\space\space\space base\]

На відміну від цього, коли міцна основа додається (розчинена в) воді, вона буде реагувати з водою як кислота:

\[ H_2O + NH_3 \leftrightharpoons NH_4^+ + OH^- \\ acid \space\space\space\space base \space\space\space\space\space\space\space acid \space\space\space\space base\]

рН - міра кислотності

Кислотність водного (водного) розчину залежить від концентрації іона гідронію, _т. ^Е. Таким чином, кислотність розчину - це здатність розчину здавати протон на основу. Кислотність або рН розчину визначається як:

\[pH = -log [H_3O^+_a] \]

Важливо відзначити, що величиною є активність Н ₃ О ⁺, а не концентрація.

Примітка

Активність - це міра ефективної концентрації виду в суміші. Різниця між активністю та іншими показниками складу, такими як концентрація, виникає через те, що молекули в неідеальних газах або розчині взаємодіють один з одним, або для залучення, або для відштовхування один одного.

Активність іона Н ₃ О ⁺ можна виміряти по

(а) Газовий електрод

b) Кислотно-лужні показники

Реакції перенесення протонів

Реакція перенесення протонів є однією з найпростіших реакцій в хімії. Він передбачає відсутність електронів і низьку масову передачу/зміну, даючи йому низьку енергію активації. Для передачі протонів між O-H або N-H групами та пов'язаними з ними основами реакція дуже швидка. Перенесення протонів відбувається через шлях, пов'язаний з воднем, під час якого протон ніколи не буває вільним.