Метод нейтрализации

С помощью метода нейтрализации определяют кислоты (алкалиметрия) и основания (ацидиметрия). Реакциями нейтрализации в водных растворах являются все реакции между кислотами и основаниями, один из продуктов которых является вода.

В соответствии с протолитической теорией Бренстеда-Лоури кислотой является любое вещество-донор протона, а основанием - акцептор протона. Кислота и получившееся при отдаче протона основание составляют сопряженную пару. Таким образом, реакция нейтрализации согласно протолитической теории представляет собой протолитическое равновесие:

НА + В ↔ ВН⁺ + А^-

кислота 1 основание 2 кислота 2 основание 1

Одним из компонентов протолитической реакции является растворитель. С точки зрения кислотно-основных свойств растворители можно разделить на три группы:

1.Апротонные растворители, не обладающие ни кислотными, ни основными свойствами (например, бензол, гексан, хлороформ).

2.Протофильные растворители, обладающие только основными свойствами (например, ацетон, диоксан, диэтиловый эфир, пиридин).

3.Амфипротные растворители, обладающие как кислотными, так и основными свойствами(вода, спирты, карбоновые кислоты, первичные и вторичные амины).

Важнейшая особенность амфипротных растворителей - способность к передаче протона от одной молекулы к другой. Такие процессы называются автопротолизом. Например,

для воды: Н₂О + Н₂О ↔ Н₃О⁺ + ОН^-

для аммиака NH₃ + NH₃ ↔ NH₄⁺ + NH₂^-

для муравьиной кислоты: НСООН + НСООН ↔ НСОО^- + НСООН₂⁺

Характеристикой равновесия автопротолиза служит константа автопротолиза.

Для воды константа автопротолиза обозначается К_w и называется ионным произведением воды: K_w = ан₃о⁺·аон^- = 1,0·10^-14 (25^оС). Отрицательный десятичный логарифм константы автопротолиза воды обозначается pK_w . pK_w = -lg K_w = 14.

Величина, равная –lgан₃о⁺ обозначается рН.

Если ан₃о⁺ = аон^- рН = ½ рК_w ; pH= 7 среда нейтральная

ан₃о⁺ > аон^- рН < ½ рК_w ; pH <7 среда кислая

ан₃о⁺ < аон^- рН = ½ рК_w ; pH >7 среда щелочная

При взаимодействии с амфипротными растворителями растворенные вещества могут проявлять как кислотные, так и основные свойства:

CH₃COO^- + H₂O ↔ OH^- + CH₃COOH

NH₃ + H₂O ↔ NH₄⁺ + OH^-

В неводных растворителях:

NH₃ + HCOOH_безв. ↔ NH₄⁺ HCOO^-

NH₄⁺ + CH₃OH_безв. ↔ CH₃OH₂⁺ + NH₃

Простейшей реакцией нейтрализации является взаимодействие сильной кислоты со щелочью в водном растворе:

Н₃О⁺ + ОН^- = 2Н₂О

Реакция между ионами гидроксония и гидроксила сильно смещена вправо в соответствии с малой величиной ионного произведения воды. Таким образом, эта реакция является практически необратимой. Кроме того, реакция переноса протона является очень быстрой.

В первом приближении, состояние кислотно-основной системы, при котором эквивалентные количества реагентов становятся равными, называется точкой эквивалентности

Поэтому в точке эквивалентности в системе: сильная кислота - сильное основание

ан₃о⁺ = аон^- и рН=7

Если в реакции нейтрализации участвует слабая кислота, например, уксусная кислота (СН₃СООН + ОН^- ↔ СН₃СОО^- + Н₂О), то реакция нейтрализации заметно обратима. В точке эквивалентности реакция среды отличается от нейтральной и вследствие наличия в равновесной смеси группы ОН^{- ­} рН >7.

В объемном анализе применяется также взаимодействие сильной кислоты и слабого основания. Слабыми основаниями являются аммиак, амины, анионы слабых кислот, входящие в состав солей.

Примеры таких реакций:

NH₃ + H₃O⁺ ↔ NH₄⁺ + H₂O

HCO₃^- + H₃O⁺ ↔ H₂CO₃ + H₂O

Реакция нейтрализации слабого основания является заметно обратимой, и в момент эквивалентности имеются ионы Н₃О⁺. Следовательно, в точке эквивалентности в этом случае рН <7.

Таким образом, используя метод нейтрализации, можно определять количество кислот, оснований и других веществ, реагирующих с кислотами и основаниями. Используя ионообменники, можно также определять вещества, не реагирующие с кислотами и основаниями (например, NaCl, Na₂SO₄.и др.).

Важнейшей задачей при этом становится подбор методов точного определения состояния эквивалентности, одним из которых является использование кислотно-основных индикаторов, изменяющих окраску вблизи точки эквивалентности. Основным способом для этого служат кривые титрования.