Более универсальные определения понятий кислота и основание, чем данные в рамках ионной теории Аррениуса, формулирует Протонная теория кислот и оснований.

Основы этой теории были заложены датским физикохимиком Бренстедом и английским химиком Лаури. Теория называется протонной потому, что главная роль в определении понятий кислота и основание отведена в ней простейшей частице H+ – катиону водорода в виде свободного протона.

В соответствии с протонной теорией

Кислота – это вещество, водородсодержащие частицы которого (молекулы, ионы) способны отдавать свои протоны;

Основание – это вещество, частицы которого (молекулы, ионы) способны принимать протоны от кислот.

Кислота – это донор протонов:

HA = A + H+

Основание – это акцептор протонов:

B + H+ = BH+

(HA – общая формула кислоты; B – общая формула основания).

В определениях кислот и оснований появляется заметная аналогия с определениями восстановителей и окислителей, участвующих в процессах отдачи и приема электронов. Как в окислительно-восстановительной паре окисленной форме соответствует восстановленная форма, содержащая, как минимум, на один электрон больше, так и согласно протонной теории каждой кислоте соответствует свое основание, имеющее, как минимум, на один протон меньше:

HA ⇄ A + H+; B + H+ ⇄ HB+

Каждая кислота переходит в соответствующее ей основание в результате потери протона, а каждое основание переходит в соответствующую ему кислоту в результате приобретения протона.

Кислота и соответствующее основание образуют кислотно-основную сопряженную пару Кислота/Основание:

HA/A; HB+/B

Примеры.

Азотная кислота и нитрат-ион: HNO3/NO3

Хлороводород и хлорид-ион: HCl/Cl

Гидросульфат-ион и сульфат-ион: HSO4/SO42-

Катион аммония и аммиак: NH4+/NH3

Поскольку при передаче протона частица кислоты отдает один положительный элементарный заряд, то в каждой сопряженной паре Кислота/Основание присутствует, как минимум, один ион, а заряд частицы кислоты на единицу больше, чем у частицы основания (сравните HNO3 и NO3, NH4+ и NH3).

Протонная теория приписывает кислотные свойства таким частицам, как NH4+, а основные свойства – частицам NO3, Cl; это показывает, как сильно различаются определения кислот и оснований по Бренстеду-Лаури и по Аррениусу. По Бренстеду-Лаури кислотно-основные свойства приписываются любым частицам (молекулам, ионам), так что и кислоты, и основания могут быть нейтральными (HNO3, HCl, NH3) и заряженными (HSO4, NH4+, NO3, SO42-).

В соответствии с протонной теорией любая водородсодержащая частица может проявлять и кислотные свойства, и основные свойства.

Пример.

HNO3 = NO3 + H+; HNO3 + H+ = H2NO3+

В первой сопряженной паре HNO3 – кислота и NO3 – основание, а во второй паре – H2NO3+ (катион нитратодиводорода) – кислота и HNO3 – основание.

В протонной теории кислоты (доноры протонов) и основания (акцепторы протонов) объединяются в одно понятие “протолиты”.

Протолиты – это вещества, способные к отдаче или приему протонов

Амфолиты – это протолиты, которые в одних условиях могут отдавать свои протоны, а в других – принимать протоны

Амфолиты могут одновременно быть донорами и акцепторами протонов.

Пример. Амфолитом является гидрокарбонат-ион:

HCO3 = CO32- + H+; HCO3 + H+ = H2CO3

Ион HCO3 может входить в состав двух сопряженных пар – HCO3/CO32- (здесь он в роли кислоты) и H2CO3/HCO3 (здесь он в роли основания).

Протолиз – это обмен протонами между двумя сопряженными парами Кислота/Основание

Протолитические реакции – это химические реакции, сопровождающиеся протолизом.

HA + B ⇄ A + HB+

Кислота 1 + Основание 2 ⇄ Основание 1 + Кислота 2

Протонодонорная и протоноакцепторная способность веществ (их кислотность и основность) определяются сродством к протону, т.е. энтальпией реакции присоединения протона. Известно, что в ряду жидких веществ:

NH3, H2O, C2H5OH, HCN, H2S, CH3COOH, HNO3, H2SO4, HF, HClO4

сродство к протону убывает от NH3 к HClO4.

Вследствие конкуренции за обладание протоном кислотно-основные реакции являются обратимыми процессами, которые характеризуются состоянием под названием Протолитическое равновесие:

HA + B ⇄ A + HB+

Из законов термодинамики следует, что протолитическое равновесие всегда будет смещено в сторону образования более слабых протолитов.

Примеры.

В реакции

H3O+ + NH3 ⇄ H2O + NH4+

равновесие сильно смещено вправо, т.к. в результате прямой реакции образуется слабый электролит – вода.

В реакции

H2O + F ⇄ OH + HF

равновесие практически полностью смещено влево.

В соответствии с протонной теорией вода является по отношению к самой себе амфолитом:

H2O = OH + H+; H2O + H+ = H3O+

это обясняет протекание автопротолиза воды:

H2O + H2O ⇄ OH + H3O+

кислота + основание ⇄ основание + кислота

Автопротолиз воды количественно характеризуется ионным произведением воды:

Kw = [H3O+][OH] = 1e-14 (25*C)

Значение Kw весьма невелико и указывает на малую степень протекания автопротолиза. При 25*С 1 дм3 воды лишь 2e-7 моль ее находится в виде катионов оксония H3O+ и гидроксид-ионов OH.