Презентация на тему "Решение задачи №3:«Неземная магическая кислота»" 11 класс

Содержание

• 
  Слайд 1
  

  Решение задачи №3:«Неземная магическая кислота»от команды МАОУ лицея пгт. Афипского «Олимп»Участники: Михайлов Александр, Косых Дарья,Михеев Иван, Буга КириллМихайлидисКарина, 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 HSO3F–SbF5 от их состава показало, что ее резкое повышение (примерно на −4 в шкале Н0) происходит уже при переходе от 100% HSO3F к раствору, содержащему ∼10% кислоты Льюиса, в результате взаимодействий: HSO3F + SbF5⇌ HSbF5SO3F (10) HSO3F + HSbF5SO3F ⇌ H2SO3F+(SbF5SO3F)− (11)

• 
  Слайд 3
  

  При содержании SbF5 90% Н0 достигает значения −26,5 в результате дополнительной координации по уравнениям (12) и (13) и образования анионов еще большего размера, сопровождающегося увеличением силы комплексной кислоты HSbmF5mSO3F: mSbF5 + HSO3F⇌HSbmF5mSO3F (12) HSbnF5nSO3F + HSbmF5mSO3F⇌H2SbnF5nSO3F+(SbmF5mSO3F)−(13) n, m = 1, 2, 3, n ≤ m. При содержании SbF5 50–70% преобладает (∼70%) анион SbF5SO3F− и присутствуют анионы Sb2F10SO3F−, SbF6−и SbF4(SO3F2). Два последних образуются в результате реакции диспропорционирования (14): 2SbF5SO3F− ⇌ SbF4(SO3F2)−+ SbF6−(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% SbF5 изменяет величину Н0 от −11 для 100% HF до −20,5. В случае HSO3F для достижения такого же эффекта необходимо растворить в 25 раз больше SbF5 , а 1М раствор SbF5 в HF является в 104 раз более сильной кислотой, чем такой же раствор в HSO3F. При соотношении HF : SbF5 = 1 : 1 Н0 более отрицательна, чем −30, причем кислотность возрастает при дальнейшем увеличении содержания кислоты Льюиса. Эти эффекты обусловлены реализацией равновесий (15) для содержания SbF5 0–20% и (16) для более концентрированных растворов: 3HF + SbF5⇌H3F2+SbF6−(15) 2HF + nSbF5⇌H2F+SbnF5n + 1(16)

• 
  Слайд 5
  

  Эквимолярную смесь HSO3F и SbF5 называют «магической кислотой». Сверхкислотность обусловлена исключительной слабостью взаимодействия с протоном соответствующих анионов (HSO4−, SbF6− 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 (SbF6−), являющийся очень слабым нуклеофилом и очень слабым основанием. Став «свободным», протон обусловливает сверхкислотность системы. Фторсурьмяная кислота в 2·1019 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 H2SbF7.

• 
  Слайд 6
  

  Как влияет вода на силу растворов кислот? 1) Рассмотрим, как протекает процесс растворения сильных электролитов: 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, СН3ОН, С2Н5ОН, С3Н7ОН 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 

• 
  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 диссоциированыТаким 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 СН3+,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 СН3+.

• 
  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 H0 = −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 (SbF6−), являющийся очень слабым нуклеофилом и очень слабым основанием. Став «свободным», протон обусловливает сверхкислотность системы. Фторсурьмяная кислота в 2·1019 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.