Решение задачи №3:«Неземная магическая кислота»
презентация к уроку по химии (11 класс) на тему

Слайд 1

Решение задачи №3: «Неземная магическая кислота» от команды МАОУ лицея пгт. Афипского « Олимп» Участники: Михайлов Александр, Косых Дарья, Михеев Иван, Буга Кирилл Михайлидис Карина , Фельдман Данил Руководитель : Егорова Наталья Кузьминична, Учитель химии

Слайд 2

Магическая кислота Магическая кислота получила своё название за исключительную способность растворять воск. Она является смесью пентафторида сурьмы, который является кислотой Льюиса, и фторсульфоновой кислоты — кислоты Брёнстеда. Поводом для этого и для осмысления ее необычных свойств послужил забавный случай, когда во время рождественской вечеринки, происходившей в химической лаборатории, в “магическую кислоту” был помещен кусочек свечи, который довольно быстро растворился. Последующее исследование показало, что при этом происходят расщепление и изомеризация молекул длинноцепочечных парафинов, из которых состоит свеча. Тем самым одновременно была открыта и “ суперкислотная ” химия алканов . Изучение зависимости кислотности смесей HSO 3 F–SbF 5 от их состава показало, что ее резкое повышение (примерно на −4 в шкале Н 0 ) происходит уже при переходе от 100% HSO 3 F к раствору, содержащему ∼10% кислоты Льюиса, в результате взаимодействий: HSO 3 F + SbF 5 ⇌ HSbF 5 SO 3 F (10) HSO 3 F + HSbF 5 SO 3 F ⇌ H 2 SO 3 F + (SbF 5 SO 3 F) − (11)

Слайд 3

При содержании SbF 5 90% Н 0 достигает значения −26,5 в результате дополнительной координации по уравнениям (12) и (13) и образования анионов еще большего размера, сопровождающегося увеличением силы комплексной кислоты HSb m F 5m SO 3 F : mSbF 5 + HSO 3 F ⇌ HSb m F 5m SO 3 F (12) HSb n F 5n SO 3 F + HSb m F 5m SO 3 F ⇌ H 2 Sb n F 5n SO 3 F + (Sb m F 5m SO 3 F) − (13) n, m = 1, 2, 3, n ≤ m. При содержании SbF 5 50–70% преобладает (∼70%) анион SbF 5 SO 3 F − и присутствуют анионы Sb 2 F 10 SO 3 F − , SbF 6 − и SbF 4 (SO 3 F 2 ) . Два последних образуются в результате реакции диспропорционирования (14): 2SbF 5 SO 3 F − ⇌ SbF 4 (SO 3 F 2 ) − + SbF 6 − (14). Строение комплексных анионов, образующихся в результате реализации равновесий (10)–(14), отображено на рисунке :

Слайд 4

Еще больше кислотность возрастает при растворении SbF5 во фтористом водороде. Уже 1% Уже 1% SbF 5 изменяет величину Н 0 от −11 для 100% HF до −20,5. В случае HSO 3 F для достижения такого же эффекта необходимо растворить в 25 раз больше SbF 5 , а 1М раствор SbF 5 в HF является в 104 раз более сильной кислотой, чем такой же раствор в HSO 3 F . При соотношении HF : SbF 5 = 1 : 1 Н 0 более отрицательна, чем −30, причем кислотность возрастает при дальнейшем увеличении содержания кислоты Льюиса. Эти эффекты обусловлены реализацией равновесий (15) для содержания SbF 5 0–20% и (16) для более концентрированных растворов: 3HF + SbF 5 ⇌ H 3 F 2 + SbF 6 − (15) 2HF + nSbF 5 ⇌ H 2 F + Sb n F 5n + 1 (16)

Слайд 5

Эквимолярную смесь HSO 3 F и SbF 5 называют «магической кислотой ». Сверхкислотность обусловлена исключительной слабостью взаимодействия с протоном соответствующих анионов ( HSO 4− , SbF 6− и др.). В среде сверхкислот протонируются вещества, обычно не проявляющие основных свойств, в частности углеводороды. Это явление используют на практике, преимущественно в органическом синтезе (алкилирование по Фриделю — Крафтсу, гидрирование нефти и др.). Сильнейшей суперкислотной системой является гексафторсурьмяная кислота, смесь плавиковой кислоты и пентафторида сурьмы. В этой системе плавиковая кислота выделяет протон ( H + ), а сопряжённое основание ( F − ) изолируется координационной связью с пентафторидом сурьмы. Так образуется большой октаэдрический анион ( SbF 6− ), являющийся очень слабым нуклеофилом и очень слабым основанием. Став «свободным», протон обусловливает сверхкислотность системы. Фторсурьмяная кислота в 2·10 19 раз сильнее 100%-ой серной кислоты. Фторсурьмяная кислота образуется простым смешиванием пентафторида сурьмы и плавиковой кислоты в отношении 1:1. Гексафторантимонат водорода в смеси с плавиковой кислотой образует самую сильную из известных кислот — гексафтороантимонат(V) фторония H 2 SbF 7 .

Слайд 6

Как влияет вода на силу растворов кислот? 1) Рассмотрим, как протекает процесс растворения сильных эл е ктролитов: Растворение есть не только физический, но и химический про­цесс. Растворы образуются путем взаимодействия частиц растворенного вещества с частицами рас­творителя. Вода обладает способно­стью растворять многие вещества, т. е. давать с ними однородные физико-химические системы перемен­ного состава (растворы). В чем состоит механизм растворения? Молекулы воды в силу особенностей своего строения и возникающего из-за этого вокруг них силового поля обладают способностью притягивать молекулы других веществ. Процесс растворения заключается как раз во взаимодействии частиц растворяющего вещества с частицами воды. При соприкосновении с водой какого-нибудь сильного электролита (например, соли) ионы, образующие кристаллическую решетку, будут притягиваться противоположно заряженными частицами молекул воды. Например, при погружении в воду кристаллов галита ион натрия (катион) будет притягиваться отрицательным полюсом молекулы воды, а ион хлора (анион) — положительным. В зависимости от природы вещества при его растворении обычно происходит выделение или поглощение тепла. Ионы раст­воренного вещества притягивают и удерживают вокруг себя опре­деленное число молекул воды, которые образуют оболочку, назы­ваемую гидратной . Таким образом, в водном растворе ионы яв­ляются гидратированными , т. е. химически связанными с молеку­лами воды. Например, при растворении серной кислоты в воде раствор нагревается настолько сильно, что вода может закипеть

Слайд 7

2) Некоторые аномалии водных растворов кислот Однако растворы кислот имеют показатели рН , отличные от показателей чистых кислот. На основании многочисленных экспериментов было выяснено, что сила многих сильных кислот в водном растворе одинакова, хотя в чистом виде они имеют совершенно разную силу. Данные аномалии объясняются тем, что вода принадлежит к типу нивелирующих растворителей. Термин «нивелирующие растворители» был введен П.И. Вальденом при изучении диссоциации солей в различных растворителях. Исследуя диссоциацию солей в разных растворителях, он установил, что в ряде растворителей (в том числе и в различа­ющихся значениями диэлектрической проницаемости) многие со­ли одинаково хорошо диссоциируют . На основании этого, напри­мер, гидроксилсодержащие растворители с различными диэлект­рическими проницаемостями ( НОН , СН 3 ОН , С 2 Н 5 ОН , С 3 Н 7 ОН и т. д.), в которых соли примерно одинаково диссоциированы , Павел Иванович назвал нивелирующими, т. е. сглаживающими разли­чия в силе электролитов. Типичным нивелирующим растворите­лем в отношении солей является вода. Как известно, почти все соли в воде независимо от их природы — сильные электролиты . Между тем в ряде растворителей с одинаковой диэлектрической проницаемостью степени диссоциации одних и тех же солей силь­но различаются. Например, в метаноле ( ε=31,5 ), ацетонитриле ( ε=37,5 ), нитробензоле ( ε=34,89 ) и нитрометане ( ε=38,57 ) ко­эффициенты электропроводности одних и тех же солей резко различаются.

Слайд 8

Так как соли, как и кислоты, являются сильными электролитами в воде, то вывод, сделанный Вальденом при изучении диссоциации солей, справедлив и для кислот. Да, вода сглаживает различия в силе кислот. Это связано с тем, что водном растворе все кислоты с константами кислотности pKa < 0 имеют одинаковые свойства (например, рН растворов). А объясняется это тем, что для таких кислот равновесиев реакции взаимодействия с растворителем – водой практически нацело смещено в сторону образования иона гидроксония H 3 O + , который является единственной кислотой в растворе. По сути, ион гидроксония представляет собой самую сильную кислоту в водных растворах, поскольку все более сильные кислоты нацело превращаются в него и таким образом выравниваются по своей силе. Например, все кислоты с pKa < 0 ( HCl , HBr , H 2 SO 4 ) нацело диссоциированы в водных растворах. Аналогичная ситуация наблюдается и в других растворителях: если pKa протонной кислоты в системе «кислота-растворитель» превосходит кислотность протонированного растворителя (его сопряженной кислоты), то происходит полный перенос протонов от кислоты к растворителю и единственной и наиболее сильной кислотой в растворе становятся катионы протонированного растворителя; кислотность раствора при этом определяется кислотностью сопряженной кислоты растворителя. Из всего вышеизложенного можно сделать вывод, что при рассмотрении магической кислоты в водном растворе ее сила будет равна силе раствора серной кислоты, а значит, мы не сможем отличить две эти кислоты при сравнении их силы, хотя чистая магическая кислота во много раз сильнее читсой серной.

Слайд 9

жидкий аммиак является дифференцирующим растворителем по отношению к сильным основаниям, но нивелирующим по отношению к кислотам В растворе жидкого аммиака, отличающемся сильноосновными свойствами, все кислоты полностью диссоциированы Таким образом, в среде жидкого аммиака кислотные свойства веществ проявляются сильнее, чем в воде. Таким образом, в растворе жидкого аммиака различия в силе кислот сглаживаются; это обусловлено большим сродством аммиака к протону

Слайд 10

Влияние жидких метана и этана на силу растворенных кислот Сила кислот в растворителях зависит от диэлектрической проницаемости растворителей и принадлежности растворителя к разным их типам: дифференцирующим и нивелирующим. 1) Почему алканы относятся к нивелирующим растворителям? Алканы – химически малоактивные вещества, но суперкислоты, такие, как магическая кислота, протонируют алканы с образованием иона СН 3 + ,который, как и ион гидроксония в воде, является сильнейшей кислотой в растворе и подавляет диссоциацию кислот. Поэтому алканы аналогично воде являются нивелирующими растворителями, и сила суперкислот в них сглаживается до силы иона СН 3 + .

Слайд 11

2) Влияние диэлектрической проницаемости (ДП) растворителя на силу кислот Влияние диэлектрической проницаемости на силу электролитов достаточно отчетливо иллюстрируется сопоставлением силы таких оснований, как амины в уксусной и муравьиной кислотах. Хотя кислотные свойства растворителей, как уже отмечалось, различаются не очень сильно, амины в муравьиной кислоте почти в 10000 раз более сильные электролиты, чем в уксусной. В общем случае, чем больше дипольные моменты молекул растворителя, тем выше его ДП и тем больше его энергия ион-дипольного взаимодействия с молекулами растворенного вещества, а значит, тем больше молекул растворенного вещества диссоциирует на ионы. В неводных растворителях электролиты часто находятся в форме ионных пар. Собственный дипольный момент ионных пар, как правило, очень велик, соответственно, велика и энергия диполь-ди-польного взаимодействия между молекулами ионных пар, заставляющая их собираться в агрегаты, размеры и сложность которых увеличиваются с ростом этой энергии, т. е. с понижением ДП растворителя. Степень агрегации при этом нередко становится столь внушительной, что в растворе образуются микрокристаллы, которые, объединяясь в макрокристалл, выделяются в отдельную твердую фазу, выпадая из раствора . В растворителях же с низкой диэлектрической проницаемостью, где «разрыв» на ионы происходит главным образом за счет химического взаимодействия, степень диссоциации зависит от индивидуальных химических свойств растворителя. А поскольку алканы (метан и этан) имеют очень низкие значения ДП (ДП метана равно 1,000953), то распад кислоты на ионы в них ослабляется. Вывод: в алканах суперкислоты ослабляются и нивелируются по силе, поэтому очевидно, раствор магической кислоты в метане или этане будет во много раз слабее , чем чистая магическая кислота.

Слайд 12

Вывод : Магическая кислота получила своё название за исключительную способность растворять воск. Она является смесью пентафторида сурьмы, который является кислотой Льюиса, и фторсульфоновой кислоты — кислоты Брёнстеда. Таким образом, Магическая кислота- 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 H 0 = −12,2. В этой системе плавиковая кислота выделяет протон (H + ), а сопряжённое основание (F − ) изолируется координационной связью с пентафторидом сурьмы. Так образуется большой октаэдрический анион (SbF 6 − ), являющийся очень слабым нуклеофилом и очень слабым основанием. Став «свободным», протон обусловливает сверхкислотность системы. Фторсурьмяная кислота в 2·10 19 раз сильнее 100%-ой серной кислоты. При рассмотрении магической кислоты в водном растворе ее сила будет равна силе раствора серной кислоты, хотя чистая магическая кислота во много раз сильнее чистой серной. Раствор магической кислоты в метане или этане будет во много раз слабее , чем чистая магическая кислота.