Сверхкислоты и сверхоснования реферат

Обновлено: 07.07.2024

Сверхкислоты проявляют высокую чувствительность к, микропримесям в изомеризуемьгх углеводородах. Для этих катализаторов являются ядами олефины и особенно диены, а также ароматические углеводороды, соединения серы и вода. Наоборот, углеводороды с третичным углеродным атомом обладают определенным активирующим действием. Так, введение изобу-тана в реакционную среду при изомеризации я-гексана позволило сократить примерно на 30 % время 95 % - ного превращения. [1]

Сверхкислоты используют для разных целей, чаще всего дляа протонирования молекул, которые в обычных условиях не являются основаниями, например, ароматических углеводородов. [2]

Термин сверхкислота относится к средам с высокой протонодо-норвой силой, т.е. более кислым, чем 96 - 100 % - ная серная кислота. Очень удобной сверхкислотой является фторсульфоновая кислота. Низкая вязкость и низкая температура замерзания являются желательными свойствами любого растворителя, используемого при ЯМР-исследованиях. Фторсульфоновая кислота в смеси с пятифторнстой сурьмой является еще более сильным прото-нируюшим агентом, а разбавление жидким диоксидом серы дает жидкую среду с низкой температурой замерзания. [3]

Их называют сверхкислотами , и в последние годы было установлено, что в этих средах протекают процессы, составляющие новую область химии. [4]

Перспективными катализаторами алкилирования являются сверхкислоты - - комплексы трифторида бора с фтороводоро-дом и серной кислотой. [5]

Перспективными катализаторами алкилирования являются сверхкислоты - комплексы трифторида бора с фтороводоро-дом и серной кислотой. [6]

Изомеризация алканов в присутствии сверхкислот может найти практическое применение в промышленности для производства высококачественного моторного топлива. [7]

Экспериментально это показано для сверхкислот ( стр. [8]

Скорость изомеризации в присутствии сверхкислот обычно растет с увеличением молекулярной массы изомеризуемого углеводорода. Так, в присутствии катализатора HF SbFs в одинаковых условиях степень конверсии я-гексана составила 94 %, для я-пентана 84 %, а - бутан подвергался лишь незначительной изомеризации. [9]

Ароматические углеводороды в присутствии сверхкислот могут подвергаться гидрированию, а также участвуют в реакциях перераспределения алкильных радикалов. Изомеризация, заключающаяся в перемещении алкильных заместителей по ароматическому ядру, в присутствии сверхкислот, содержащих фториды металлов, протекает с невысокой селективностью. [11]

Фториды входят в состав сверхкислот . [12]

При взаимодействии алкана со сверхкислотой образуются карбокатионы, способные к внутримолекулярным перегруппировкам. Где присоединяется протон, неизвестно. Предполагают, что атом углерода и два атома водорода образуют трехцентровую двухэлектронную связь. [13]

Из изложенного ясно, что сверхкислоты в качестве катализаторов представляют наибольший интерес для изомеризации па-раф инов, и в этих реакциях они изучены наиболее полно. [15]

Вы можете изучить и скачать доклад-презентацию на тему Различные теории кислот и оснований. Презентация на заданную тему содержит 24 слайдов. Для просмотра воспользуйтесь проигрывателем, если материал оказался полезным для Вас - поделитесь им с друзьями с помощью социальных кнопок и добавьте наш сайт презентаций в закладки!

Различные теории кислот и оснований Знание, информация, власть, слова… Невидимые, они летели по воздуху… Терри Пратчетт

Различные теории кислот и оснований Теории кислот и оснований – совокупность фундаментальных физико-химических представлений, описывающих природу и свойства кислот и оснований. Все они вводят определения кислот и оснований – двух классов веществ, реагирующих между собой. Задача теории – предсказание продуктов реакции между кислотой и основанием и возможности её протекания, для чего используются количественные характеристики силы кислоты и основания. Различия между теориями лежат в определениях кислот и оснований, характеристики их силы и, как следствие – в правилах предсказания продуктов реакции между ними. Все они имеют свою область применимости, каковые области частично пересекаются. Кислотно-основные взаимодействия чрезвычайно распространены в природе и находят широкое применение в научной и производственной практике. Теоретические представления о кислотах и основаниях имеют важное значение в формировании всех концептуальных систем химии и оказывают разностороннее влияние на развитие многих теоретических концепций во всех основных химических дисциплинах. На основе современной теории кислот и оснований разработаны такие разделы химических наук, как химия водных и неводных растворов электролитов, рН-метрия в неводных средах, гомо- и гетерогенный кислотно-основный катализ, теория функций кислотности и многие другие.

Различные теории кислот и оснований Теория электролитической диссоциации С. Аррениуса (1887) 1. Электролиты при растворении в воде распадаются (диссоциируют) на ионы – положительные и отрицательные. Ионы находятся в более устойчивых электронных состояниях, чем атомы. Они могут состоять из одного атома – это простые ионы (Na+, Mg2+, Аl3+ и т.д.) – или из нескольких атомов – это сложные ионы (NО3⎺, SO42−, РО43− и т.д.). 2. Под действием электрического тока ионы приобретают направленное движение: положительно заряженные ионы движутся к катоду, отрицательно заряженные – к аноду. Поэтому первые называются катионами, вторые – анионами. Направленное движение ионов происходит в результате притяжения их противоположно заряженными электродами. 3. Диссоциация – обратимый процесс: параллельно с распадом молекул на ионы (диссоциация) протекает процесс соединения ионов (ассоциация). Поэтому в уравнениях электролитической диссоциации вместо знака равенства ставят знак обратимости.

Различные теории кислот и оснований После появления теории электролитической диссоциации С. Аррениуса (1887) сформировалась ионная теория кислот и оснований. Согласно этой теории, кислота – водородсодержащее соединения, при электролитической диссоциации которого в воде образуются ионы водорода и анионы, а основание – соединение, диссоциирующее с отщеплением ионов ОН⎺ и катионов. В дальнейшем появились различные варианты обобщения ионной теории кислот и оснований применительно к неводным растворителям. Эти варианты не противоречат, а дополняют друг друга, большинство их используется и разрабатывается в настоящее время. Определения. Кислоты – это вещества, образующие в водном растворе гидратированные катионы водорода Н+ (ионы гидроксония) и анионы кислотного остатка. Основания – вещества, диссоциирующие в водном растворе с образованием катионов металла или аммония и гидроксид-анионов ОН⎺. Соли – вещества, диссоциирующие с образованием катиона металла или аммония и аниона кислотного остатка. Продукты реакции. В реакции кислоты с основанием (реакция нейтрализации) образуется соль и воды.

Различные теории кислот и оснований Примеры. Кислота – HCl (кислотный остаток Cl⎺): HCl + H2O ⇄ H3O+ + Cl⎺ Основание – NaOH: NaOH ⇄ Na+ + OH⎺ Реакция нейтрализации (соль – NaCl): HCl + NaOH  NaCl + H2O Критерии протекания реакции. Сильные кислоты реагируют с сильными основаниями. Чем слабее кислота, тем более сильное основание нужно для реакции. Количественные характеристики. Сила кислоты и основания характеризуются их константами диссоциации Ka и Kb. Для кислоты HA HA ⇄ H+ + A⎺ Ka = [H+][A⎺]/[HA] Для основания BOH BOH ⇄ B+ + OH⎺ Kb = [B+][OH⎺]/[BOH] Чтобы прошла реакция между кислотой и основанием, произведение их констант диссоциации должно быть больше, чем 10−14 (ионное произведение воды).

Различные теории кислот и оснований Область применимости. Она вполне удовлетворительно описывает реакции достаточно сильных кислот и оснований друг с другом и свойства их водных растворов. На основе представлений о степени и константе диссоциации было закреплено деление электролитов на сильные и слабые, введено понятие водородного показателя, распространение которого на щелочные среды требует, однако, дополнительных допущений (введения ионного произведения воды). Теорию можно применять для описания гидролиза солей и реакции кислот и оснований с солями, однако при этом требуется весьма громоздкий аппарат – протонная теория гораздо удобнее. Применимость теории Аррениуса-Оствальда ограничивается водными растворами. Кроме того, она не позволяет объяснить наличие основных свойств аммиака, фосфина и других соединений, не содержащих гидроксогрупп.

Различные теории кислот и оснований Сольвентная теория (теория сольвосистем) (1924) Э. Франклином в 1924 г. создана сольвентная теория. По этой теории, кислоты и основания – вещества, при растворении которых увеличивается концентрация соответствующих катионов и анионов, образующихся при диссоциации растворителя. В этом случае кислотно-основное взаимодействий выражается схемой: кислота + основание  соль + растворитель Сольвентная теория способствовала исследованию кислот и оснований в неводных растворах. Теория сольвосистем – расширение теории Аррениуса-Оствальда на другие ионные (в частности, протонные растворители). Предложена американскими химиками Г. Кэди, Э. Франклин и Ч. Краусом. Определения. Ионный растворитель – растворитель, самодиссоциирующий на катион и анион. Катион при этом называется ионом лиония, а анион – ионом лиата. Протонный растворитель – растворитель, способный к автопротолизу, то есть передаче иона H+ от одной молекулы к другой: 2HL ⇄ H2L+ + L⎺ Это растворители, содержащие достаточно полярную связь с участием водорода и неподеленную электронную пару на каком-либо другом неметалле (чаще всего, азоте, кислороде или фторе).

Различные теории кислот и оснований Протолитическая (протонная) теория Й.Брёнстеда и Т.Лоури (1923) Была предложена в 1923 году независимо друг от друга датским учёным Й. Брёнстедом и английским учёным Т. Лоури. В ней понятие о кислотах и основаниях было объединено в единое целое, проявляющееся в кислотно-основном взаимодействии (А – кислота, В – основание): A  B + H+ (кислота  основание + Н+) По Брёнстеду, кислота – донор протона, а основание – акцептор его. По этой теории, кислота и основание составляют сопряженную пару и связаны уравнением:

Различные теории кислот и оснований Например, вода при взаимодействии с протоном H2O + H+ = H3О+ является основанием, а реагируя с аммиаком NH3 + H2O = NH4+ + OH⎺ – является кислотой. Согласно этой теории кислотами являются молекулы или ионы, способные быть в данной реакции донорами протонов, а основаниями являются молекулы или ионы, присоединяющие протоны (акцепторы). Кислоты и основания получили общее название протолитов. Сущностью кислотно-основного взаимодействия является передача протона от кислоты к основанию. При этом кислота, передав протон основанию, сама становится основанием, так как может снова присоединять протон, а основание, образуя протонированную частицу, становится кислотой. Таким образом, в любом кислотно-основном взаимодействии участвуют две пары кислот и оснований, названные Брёнстедом сопряженными: A1 + B2  A2 + B1 Одно и то же вещество в зависимости от условий взаимодействия может быть как кислотой, так и основанием (амфотерность). Например, вода при взаимодействии с сильными кислотами выступает в роли основания: H+ + H2O  H3O+, а реагируя с аммиаком – в роли кислоты: NH3 + H2O  NH4+ + OH⎺

Различные теории кислот и оснований Электронная теория Г.Льюиса (1923) По Льюису, кислота – вещество, которое может использовать неподеленную электронную пару электронов атома другой молекулы для образования устойчивой электронной группировки одного из своих атомов, основание – вещество, обладающее неподеленной парой электронов, которая может быть использована для образования устойчивой электронной группировки другого атома. Часто такой группировкой является октет электронов. Катионы, анионы или нейтральные молекулы, способные принять одну или несколько пар электронов, называют кислотами Льюиса.

Различные теории кислот и оснований Кислота Льюиса – молекула или ион, имеющие вакантные электронные орбитали, вследствие чего они способны принимать электронные пары. Это, например, ионы водорода – протоны, ионы металлов (Ag+, Fe3+), оксиды некоторых неметаллов (например, SO3, SiO2), ряд солей (AlCl3), а также такие вещества как BF3, Al2O3. Кислоты Льюиса, не содержащие ионов водорода, называются апротонными. Протонные кислоты рассматриваются как частный случай класса кислот. Катионы, анионы или нейтральные молекулы, способные отдавать электронные пары, называют основаниями Льюиса. Например, основания Льюиса – все анионы, аммиак и амины, вода, спирты, галогены. Основание Льюиса – это молекула или ион, способные быть донором электронных пар: все анионы, аммиак и амины, вода, спирты, галогены.

Различные теории кислот и оснований Примеры химических реакций между кислотами и основаниями Льюиса: AlCl3 + Cl⎺  [AlCl4]⎺ BF3 + F⎺  [BF4]⎺ PCl5 + Cl⎺  [PCl6]⎺ Г. Льюис предположил, что кислотно-основные взаимодействия совсем необязательно происходят с переносом протона. В определении кислот и оснований по Льюису основная роль отводится участию электронных пар в химическом взаимодействии. Отличительным признаком кислоты и основания в теории Льюиса является то, что они взаимодействуют друг с другом с образованием донорно-акцепторной (координационной) связи: А + В  А:В, где А – кислота, В – основание, А:В – кислотно-основный комплекс (продукт нейтрализации). В результате приобретенной пары электронов атомом, ответственным за кислотные свойства рассматриваемого соединения, часто возникает завершенная электронная конфигурация, например:

Различные теории кислот и оснований В случае взаимодействия нейтральных молекул продукт реакции [напр., BF3·NH3, SbCl5·O(C2H5)2] часто называют аддуктом. Понятие основания в теориях Льюиса и Брёнстеда совпадают, однако понятие кислоты в первой теории охватывает кроме протона также электроноакцепторные вещества, в обратимых реакциях которых с основаниями не участвует водород, например BF3, SO3, Ag+. К кислотам Льюиса относится протон, как частица, легко присоединяющая пару электронов. Протонные кислоты рассматриваются в теории Льюиса как продукты нейтрализации протона основаниями (напр., соляная кислота – продукт нейтрализации Н+ основанием Сl⎺). Определение Г. Льюиса охватывает все кислотно-основные процессы, рассмотренные ранее предложенными теориями.

Различные теории кислот и оснований Суперкислота (или сверхкислота) – вещество или смесь веществ, параметр кислотности которых превышает кислотность 100%-ой серной кислоты. В данном случае параметр кислотности принимается как способность кислоты протонировать произвольное основание и фактически совпадает с функцией кислотности. Для 100% серной кислоты параметр кислотности составляет H0 = −12,2. Наличие воды снижает кислотность сверхкислот, так как в присутствии воды сила кислоты ограничивается кислотностью иона гидроксония H3O+. Протонные суперкислоты К простым суперкислотам относят трифторметансульфоновую (CF3SO3H), хлорную, хлорсульфоновую, пентафторэтансульфоновую, фторсульфоновую (FSO3H) кислоты. Во многих случаях суперкислота является не одиночным соединением, а смесью соединений, совмещаемых для достижения высокой кислотности.

Различные теории кислот и оснований Карборановая кислота – самая сильная кислота (суперкислота) из тех, которые можно хранить в бутылках. 2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12-Ундекахлор-1-карба-клозо-додекаборан(12) (журналистское название Карборановая кислота) – одна из самых сильных кислот (суперкислота) полученных в начале 21 века. Химическая формула – H(CB11Cl11). Карборановая кислота приблизительно в миллион раз сильнее концентрированной серной кислоты. В обычных шкалах измерить силу кислоты не удается, так как кислота протонирует все известные слабые основания и все растворители в которых она растворяется. На момент получения была сильнейшей известной кислотой. В настоящий момент получены более сильные сверхкислоты, например карфторановая кислота H(CB11F11). Протонирует бензол, давая стабильную соль бензолия. Протонирует фуллерен-60, диоксид серы. Создана в университете Калифорнии (США) при участии сотрудников Института катализа СО РАН (Новосибирск). Сверхкислоты Льюиса К сверхкислотам Льюиса относятся большинство пентафторидов металлов и трифторид бора.

Различные теории кислот и оснований СВЕРХОСНОВА́НИЯ (супероснования), вещества, проявляющие очень сильное сродство к протону. К супероснованиям относятся, в частности, неорганические солеобразные соединения, в которых анион имеет малый радиус и высокий заряд (нитрид лития, гидрид калия и т.п.), азотсодержащие органические соединения (фосфазены, амидины и др.), литийорганические соединения, а также системы, состоящие из сильного ионного основания и вещества, способного специфически связывать катион щелочного металла или ониевый (напр., NaOH в среде диметилсульфоксида). Некоторые супероснования (напр., диизопропиламид Li) относятся к т.н. протонным губкам – веществам, обладающим способностью ионизировать слабые кислоты по связям С─Н, не затрагивая другие лабильные группы. Супероснования используют в органическом синтезе, например в реакциях конденсации.

Суперкислотами или сверхкислотами в химии называют класс веществ, обладающих большей кислотностью, чем серная кислота 100%-ной концентрации. Автор термина — известный химик Д. Конант, предложивший в начале XX века использовать его для более сильных кислот, чем известные на тот момент неорганические кислоты.

Сверхкислота может быть моновеществом или смесью веществ. Свойствами суперкислот и их применением занимается отдельная область химии — химия суперкислот.

Немного теории

Кислотами называют вещества, состоящие из атома (атомов) водорода и кислотного остатка. В химических реакциях с металлами они выделяют водород, а в реакциях с основаниями образуют соли. При этом молекула кислоты отдает свой атом или атомы водорода, присоединяя к себе атом или молекулу реактива, с которым вступает во взаимодействие. Именно эта способность кислот отдавать протон (протонировать) любому основанию определяют как силу кислоты или ее функцию кислотности.


Фторсульфоновая кислота	Хлорная кислота 65% "хч"

Суперкислоты

К суперкислотам относят такие, как хлорная с функцией кислотности равной -13, хлорсульфоновая (-13,8), фторсульфоновая (-15,1) и некоторые другие чистые кислоты. Гораздо более сильными параметрами кислотности обладают смеси, например, фтороводорода и пентафторида сурьмы (HF и SbF5 с показателем H₀ равным -28), или смесь фторсульфороновой кислоты с пентафторидом сурьмы, которую называют магической кислотой (HSO3F и SbF5). Это несколько необычное название закрепилось за реактивом после того, как один химик показал на рождественской вечеринке фокус — он опустил восковую свечу в неизвестное вещество и свеча полностью в нем растворилась.

К суперкислотам относят также многие пентафториды металлов, трифторид бора. Существуют твердые суперкислоты — некоторые цеолиты, кислые глины (бентонит, каолин), полимер нафион.

Это интересно

Если вы думаете, что к суперкислотам непременно должна относиться и плавиковая кислота, то вы заблуждаетесь. Несмотря на то, что эта кислота разрушает стекло, суперкислотными свойствами она не обладает. Ее H₀ равна -10, а ее способность разрушать стекло связана не с кислотными свойствами, а со способностью ионов фтора взаимодействовать с оксидом кремния, основой любого стекла.

В тоже время, карборановая кислота H(CHB11Cl11), которая сильнее серной в миллион раз, спокойно хранится в стеклянных емкостях. Дело в том, что ее кислотный остаток крайне устойчив и не вступает в дальнейшие химические реакции после того, как кислота отдаст атомы водорода. Эта кислота была создана искусственно американскими и российскими химиками.

Применение суперкислот

Свойства сверхкислот активно используются в науке и промышленности. В среде суперкислот многие вещества — например углеводороды, фуллерены, иодониевые, бромониевые соли проявляют необычные для них реакционные щелочные свойства.

С помощью сверхкислот в промышленности удается в обычных условиях запустить процессы, которые иначе требуют высоких температур или давлений: изомеризация парафинов, каталитический крекинг, алкилирование, ацилирование, карбоксилирование, галогенирование и другие реакции синтеза различных углеводородов. Как правило, в этих процессах сверкислоты выступают мощными катализаторами промышленных реакций.

Читайте также: