В качестве растворителя в количественном химическом анализе в основном используют воду как наиболее доступный и дешевый растворитель, не требующий специальных условий работы с ним (например, вытяжных шкафов, защитной одежды и т.п.), легко поддающийся очистке дистилляцией. В аналитической практике используют дистиллят или бидистиллят воды (т.е. один раз или дважды продистиллированную воду) в зависимости от требуемой по методике анализа чистоты растворителя.

Анализ нерастворимых в воде веществ (например, органических) проводят в неводных средах с использованием неводных растворов кислот, оснований и т.п.

При классификации растворителей прежде всего выделяют характер их участия в процессе кислотно-основного взаимодействия. По этому признаку выделяют апротонные и протолитические растворители.

Молекулы апротонных растворителей не ионизированы, поэтому в кислотно-основных взаимодействиях они ведут себя как химически инертные вещества, не отдавая и не принимая протон, как безпротонные, что отражено в их названии. К апротонным растворителям относят углеводороды, например гексан, бензол и их галогенопроизводные (хлороформ, тетрахлорид углерода и др.)

К протолитическим относят растворители способные к ионизации и отдаче или присоединению протона. Кислотно-основное равновесие в этих растворителях осуществляется с их участием.

Это участие является основой идеей протолитической (протонной) теории кислот и оснований Бренстеда и Лоури (1927г.). В отличие от теории электролитической диссоциации Аррениуса - Оствальда (1887 г.), в которой растворитель считался инертной средой, с точки зрения протонной теории кислота не выделяет протон самопроизвольно, а участвует в его переносе совместно с основанием, в качестве которого могут быть молекулы растворителя. Согласно протонной теории процесс передачи протона от кислоты к основанию называется протолизом, причем кислотой считают любое вещество, способное отдавать протон, а основанием - его принимать. Ионно-молекулярное равновесие, устанавливающееся после передачи протона, называют протолитическим или кислотно-основным.

Кислотно-основное взаимодействие по этой теории состоит в обратимом переносе протона от кислоты к основанию. В результате такого процесса образуется пара новых частиц, одна из которых опять способна отдавать протон, а другая - его присоединять. Таким образом, кислота оказывается в равновесии с сопряженным основанием, а основание - с сопряженной кислотой:

НА + В НВ+ +А-

Кислотаоснование сопряженная сопряженное

кислота основание

Например, НСN + NaOHH2O + NaCN

или в ионном виде НСN + OH- H2O + CN-

Кислоты и основания, теряющие и приобретающие протоны, называют протолитами. Протолитические растворители, ведущие себя в процессе растворения вещества как кислота, отдавая протон, называют протогенными (от лат. «протонорождающие»). К ним относят жидкие галогеноводороды (HCl, HBr), серную, безводную муравьиную и уксусную кислоты и др. Они увеличивают основные свойства растворенных в них веществ и уменьшают кислотные. Например, слабое основание анилин в среде безводной уксусной кислоты является сильным.

Протофильные(от лат. «протонолюбящие») растворители способны принимать протоны в процессе растворения. Это, например, жидкий аммиак, пиридин, гидразин и др. Они увеличивают кислотность растворенных веществ.

Амфипротонные растворители способны как отдавать, так и принимать протоны (вода, спирты, кетоны, нитрилы и др.). Вещества с такими свойствами называют амфолитами или амфипротонными. С учетом амфипротонных свойств воды кислотно-основное взаимодействие является суммарным результатом следующих процессов передачи протона:

НА + H2O  H3O+ + А-

В + H2O  НВ+ +OH-

НА+ В  НВ+ + А-

Например, взаимодействие циановодородной кислоты со щелочью можно изобразить так:

НСN + H2O  H3O+ + CN-

OH-+ H2O  H2O + OH-

НСN + OH-  H2O + CN-

Для простоты промежуточные уравнения реакции, показывающие участие воды в установлении кислотно-основного равновесия, опускают, изображая кислотно-основную реакцию результирующим уравнением.

Амфипротонные свойства воды позволили объяснить щелочную среду водных растворов солей, образованных сильным основанием и слабой кислотой (Na2CO3, KCN, Na2HPO4 и др.) и кислую среду растворов солей слабых оснований (NH4Cl) и многоосновных слабых кислот (NaH2PO4, KHSO4 и др.). Их химическое взаимодействие с водой приводит к накоплению в растворе ионов H+ или OH-, определяющих кислотность их среды.

Например КСN + H2O  КОH + НCN

или в ионном виде CN- + H2O  OH-+ НCN,

откуда видно, что гидролиз этой соли приводит к щелочной среде раствора КСN. Таким образом, реакция гидролиза - частный случай протолиза.

Обладая амфипротонными свойствами молекулы воды могут вступать во взаимодействие друг с другом, как кислота со щелочью, образуя ион гидроксония H3O+ и гидроксид - ион OH-:

H2O + H2O  H3O+ + OH-

Этот процесс называется автопротолизом, он свойственен и другим амфипротонным растворителям.

Для простоты автопротолиз H2O записывают в виде диссоциации воды:

H2O  Н+ + OH-

По закону действующих масс константа равновесия процесса диссоциации воды равна

Измерениями доказано, что для чистой воды [H2O] =55,85моль/л и [Н+]= [OH-]=10-7 моль/л, следовательно,

КДИС(H2O) [H2O] =[Н+]  [OH-] = const .

Произведение равновесных концентраций ионов воды при данной температуре есть величина постоянная, называемое ионное произведение воды КW :

КW = [Н+][OH-] = 10-14 моль/л .

Понятие о рН и рОН среды раствора

Концентрация ионов водорода в водных растворах изменяется приблизительно от 1 моль/л в 1М растворе сильной кислоты (например, HCl) до 10-14 моль/л в 1М растворе сильной щелочи (например, NaOH).

Этот интервал 10-14 < [Н+] < 1 очень широк и неудобен для характеристики кислотности среды, поэтому шведский ученый Сорренсон в 1909 г ввел шкалу кислотности, основанную на отрицательном десятичном логарифме от граничных значений этого интервала:

0 < - ℓg[Н+] <14 .

Обозначив «-ℓg» через «р», а [Н+] через «Н» он получил водородный показатель среды раствора рН. По аналогии рОН = -ℓg[ОН-] - гидроксильный показатель. Таким образом, 0 < рН < 14. Раствор с рН = 0…7 имеет кислую среду, при рН = 7 среда раствора нейтральная, при рН = 7…14 - щелочная.

Возьмем отрицательный десятичный логарифм от КW:

-ℓg КW = -ℓg[Н+] - ℓg[ОН-],

следовательно, 14 = рН + рОН, а рН = 14 - рОН.