EssayAI
Блог
Блог
Естественные науки

Функция кислотности Гаммета: что измеряет и как считать

30 апреля 2026Время чтения: 7 минут
#функция кислотности#Гаммет#суперкислоты#H0#протонирование
Функция кислотности Гаммета: что измеряет и как считать

Функция кислотности Гаммета - это мера протонирующей способности среды для концентрированных кислот, где обычное понятие pH перестаёт работать. В разбавленных водных растворах кислотность характеризуют активностью иона H+\text{H}^+, но в концентрированной серной кислоте, олеуме или суперкислотах активность протона на порядки превосходит то, что можно описать шкалой 0140\text{–}14. Луис Гаммет в 1932 году предложил функцию H0H_0, которая количественно продолжает шкалу кислотности далеко за пределы воды. Ниже разберём физический смысл H0H_0, вывод через индикаторное равновесие, связь с pH, шкалу суперкислот и типовые расчёты.

Зачем нужна функция кислотности Гаммета

В разбавленном растворе работает определение pH=lgaH+\text{pH} = -\lg a_{\text{H}^+}: активность протона близка к его концентрации, а коэффициенты активности приблизительно равны единице. Но как только мы переходим к концентрированным растворам, всё ломается. Во-первых, измерить активность H+\text{H}^+ напрямую электродом уже нельзя - стеклянный электрод теряет линейность. Во-вторых, коэффициенты активности всех частиц сильно отклоняются от единицы, и формальная концентрация кислоты ничего не говорит о её реальной протонирующей способности.

Функция кислотности Гаммета H0H_0 обходит эту проблему: вместо того чтобы измерять активность протона, она измеряет, насколько сильно среда протонирует слабое нейтральное основание-индикатор. Чем сильнее кислота, тем более слабое основание она способна протонировать - и тем меньше (более отрицательным) становится H0H_0.

Прежде чем разбирать формулы, удобно прикинуть на конкретных числах: какой будет H0H_0, какова степень протонирования индикатора или какому проценту соответствует данное соотношение форм. Соберите параметры задачи в форме ниже - она составит корректный запрос с формулами и подстановкой.

Вывод формулы через индикаторное равновесие

Возьмём слабое нейтральное основание B\text{B} (например, нитроанилин), которое в кислой среде протонируется:

B+H+BH+\text{B} + \text{H}^+ \rightleftharpoons \text{BH}^+

Термодинамическая константа протонирования сопряжённой кислоты BH+\text{BH}^+ записывается через активности:

KBH+=aH+aBaBH+=aH+[B]γB[BH+]γBH+K_{\text{BH}^+} = \dfrac{a_{\text{H}^+}\, a_{\text{B}}}{a_{\text{BH}^+}} = \dfrac{a_{\text{H}^+}\, [\text{B}]\, \gamma_{\text{B}}}{[\text{BH}^+]\, \gamma_{\text{BH}^+}}

Прологарифмируем и выразим величину, не зависящую от конкретного индикатора:

lg ⁣(aH+γBγBH+)=lg[B][BH+]lgKBH+-\lg\!\left(a_{\text{H}^+}\dfrac{\gamma_{\text{B}}}{\gamma_{\text{BH}^+}}\right) = \lg\dfrac{[\text{B}]}{[\text{BH}^+]} - \lg K_{\text{BH}^+}

Левую часть Гаммет и обозначил как функцию кислотности:

H0=lg ⁣(aH+γBγBH+)H_0 = -\lg\!\left(a_{\text{H}^+}\dfrac{\gamma_{\text{B}}}{\gamma_{\text{BH}^+}}\right)

Тогда рабочая формула, по которой H0H_0 реально определяют из эксперимента, принимает вид:

H0=pKBH++lg[B][BH+]H_0 = \mathrm{p}K_{\text{BH}^+} + \lg\dfrac{[\text{B}]}{[\text{BH}^+]}

Здесь pKBH+=lgKBH+\mathrm{p}K_{\text{BH}^+} = -\lg K_{\text{BH}^+} - известный показатель кислотности сопряжённой кислоты индикатора, а отношение [B]/[BH+][\text{B}]/[\text{BH}^+] измеряют спектрофотометрически (нейтральная и протонированная формы поглощают по-разному).

Принцип постоянства отношения коэффициентов активности

Ключевое допущение Гаммета: отношение γB/γBH+\gamma_{\text{B}}/\gamma_{\text{BH}^+} примерно одинаково для всех структурно близких индикаторов в одной и той же среде. Тогда H0H_0 оказывается свойством самой среды, а не конкретного основания. Это позволяет «сшить» шкалу: один индикатор работает в области, где он наполовину протонирован, по нему калибруют следующий, более слабый, и так строят непрерывную шкалу от слабых кислот до суперкислот.

Когда индикатор протонирован ровно наполовину, [B]=[BH+][\text{B}] = [\text{BH}^+], логарифм обращается в ноль, и H0=pKBH+H_0 = \mathrm{p}K_{\text{BH}^+}. Это и есть точка «привязки» каждого индикатора к шкале.

На практике классический ряд Гаммета - это замещённые анилины (нитроанилины, динитроанилины) с постепенно понижающейся основностью. Первый индикатор работает в области умеренно концентрированной серной кислоты; там, где он уже почти полностью протонирован и перестаёт давать измеримое отношение форм, в дело вступает следующий, более слабый. В зоне перекрытия оба индикатора должны давать одно и то же значение H0H_0 - это и есть проверка самосогласованности шкалы. Так удаётся протянуть единую кривую H0H_0 как функцию массовой доли H2SO4\text{H}_2\text{SO}_4: от H00H_0 \approx 0 в разбавленном растворе до H012H_0 \approx -12 в 100%100\,\% кислоте.

Допущение о постоянстве отношения коэффициентов активности выполняется лишь приближённо. Для оснований другого химического класса (например, амидов вместо аминов) получается слегка иная шкала, поэтому строго $H_0$ привязана именно к ряду нитроанилиновых индикаторов.

Связь функции кислотности Гаммета с pH

В предельно разбавленном водном растворе все коэффициенты активности стремятся к единице, γB/γBH+1\gamma_{\text{B}}/\gamma_{\text{BH}^+} \to 1, активность совпадает с концентрацией, и тогда:

H0lgaH+=pHH_0 \to -\lg a_{\text{H}^+} = \text{pH}

То есть H0H_0 - это естественное продолжение шкалы pH в область, где pH уже неизмерим. Для 1M1\,\text{M} сильной кислоты H00H_0 \approx 0, как и pH. Но для 100%100\,\% серной кислоты H012H_0 \approx -12, тогда как формальный «pH» здесь лишён смысла. Аналогично определяют функции для других типов оснований: HH_- для анионных оснований, HRH_R (или J0J_0) для образования карбкатионов из спиртов.

Шкала суперкислот

Суперкислота - это среда с кислотностью выше, чем у 100%100\,\% серной кислоты, то есть с H0<12H_0 < -12. Именно по функции кислотности Гаммета суперкислоты и определяются количественно.

  • Безводный HF\text{HF}: H011H_0 \approx -11.
  • Хлорсульфоновая кислота HSO3Cl\text{HSO}_3\text{Cl}: H013H_0 \approx -13.
  • «Магическая кислота» HSO3FSbF5\text{HSO}_3\text{F}\cdot\text{SbF}_5: H023H_0 \approx -23.
  • Фторсульфоновая с избытком SbF5\text{SbF}_5 (фторантимоновая система HFSbF5\text{HF}\cdot\text{SbF}_5): H0H_0 до 28-28.

Чем более отрицательно значение H0H_0, тем более слабые основания (вплоть до алканов и инертных газов) среда способна протонировать. Работы Джорджа Олы по суперкислотам и долгоживущим карбкатионам, отмеченные Нобелевской премией 1994 года, опираются именно на эту шкалу. Тема химических равновесий смежна с разбором комплексонометрического титрования ЭДТА, где условные константы тоже зависят от среды.

Как считают степень протонирования

Если известны H0H_0 среды и pKBH+\mathrm{p}K_{\text{BH}^+} основания, можно найти долю протонированной формы. Из рабочей формулы:

lg[BH+][B]=pKBH+H0\lg\dfrac{[\text{BH}^+]}{[\text{B}]} = \mathrm{p}K_{\text{BH}^+} - H_0

Обозначим x=[BH+]/[B]=10pKBH+H0x = [\text{BH}^+]/[\text{B}] = 10^{\,\mathrm{p}K_{\text{BH}^+} - H_0}. Тогда степень протонирования (мольная доля протонированной формы):

α=[BH+][B]+[BH+]=x1+x=10pKBH+H01+10pKBH+H0\alpha = \dfrac{[\text{BH}^+]}{[\text{B}] + [\text{BH}^+]} = \dfrac{x}{1 + x} = \dfrac{10^{\,\mathrm{p}K_{\text{BH}^+} - H_0}}{1 + 10^{\,\mathrm{p}K_{\text{BH}^+} - H_0}}

Например, для основания с pKBH+=10\mathrm{p}K_{\text{BH}^+} = -10 в среде с H0=12H_0 = -12 получаем x=1010(12)=102=100x = 10^{-10-(-12)} = 10^{2} = 100, то есть α=100/1010,99\alpha = 100/101 \approx 0{,}99 - основание протонировано почти полностью. Наоборот, если pKBH+=14\mathrm{p}K_{\text{BH}^+} = -14, а H0=12H_0 = -12, то x=102=0,01x = 10^{-2} = 0{,}01 и α0,01\alpha \approx 0{,}01 - среды недостаточно сильна, чтобы заметно протонировать такое слабое основание.

Эта же логика объясняет, почему суперкислоты способны протонировать вещества, которые в воде вообще не проявляют основных свойств. Метан, например, имеет крайне отрицательный pKBH+\mathrm{p}K_{\text{BH}^+}, и только при H020H_0 \approx -20 и ниже величина pKBH+H0\mathrm{p}K_{\text{BH}^+} - H_0 становится положительной, то есть равновесие сдвигается в сторону протонированной формы CH5+\text{CH}_5^+. Так шкала Гаммета превращается из абстрактной величины в рабочий инструмент предсказания реакционной способности.

Частые ошибки

  • Путают H0H_0 и pH. H0H_0 совпадает с pH только в пределе бесконечного разбавления; в концентрированных кислотах это разные величины, и подставлять в H0H_0 «измеренный pH-метром» нельзя.
  • Игнорируют коэффициенты активности. H0H_0 изначально содержит отношение γB/γBH+\gamma_{\text{B}}/\gamma_{\text{BH}^+}; нельзя заменять активности на концентрации в концентрированной среде.
  • Берут индикатор не в том диапазоне. Спектрофотометрически отношение [B]/[BH+][\text{B}]/[\text{BH}^+] измеримо только когда обе формы заметно присутствуют - то есть когда H0H_0 близко к pKBH+\mathrm{p}K_{\text{BH}^+} выбранного индикатора.
  • Знак путают. Чем сильнее кислота, тем H0H_0 меньше (более отрицательно). Значение H0=28H_0 = -28 соответствует более сильной кислоте, чем H0=12H_0 = -12.
  • Смешивают функции. H0H_0 определена для нейтральных оснований; для анионных используют HH_-, для генерации карбкатионов - HRH_R. Это разные шкалы.

FAQ

Чем функция кислотности Гаммета отличается от pH? pH характеризует активность протона в разбавленном водном растворе и ограничен примерно диапазоном 0140\text{–}14. Функция кислотности Гаммета H0H_0 измеряет протонирующую способность любой, в том числе концентрированной, среды через равновесие нейтрального индикатора и продолжает шкалу далеко в отрицательную область.

Что означает отрицательное значение H0H_0? Отрицательное H0H_0 означает протонирующую способность выше, чем у 1M1\,\text{M} сильной кислоты. Чем меньше (отрицательнее) H0H_0, тем сильнее среда как кислота. У 100%100\,\% серной кислоты H012H_0 \approx -12, у суперкислот - до 28-28.

Как экспериментально определяют H0H_0? Берут серию слабых нейтральных оснований-индикаторов с известными pKBH+\mathrm{p}K_{\text{BH}^+}, измеряют спектрофотометрически отношение [B]/[BH+][\text{B}]/[\text{BH}^+] в исследуемой среде и подставляют в H0=pKBH++lg([B]/[BH+])H_0 = \mathrm{p}K_{\text{BH}^+} + \lg([\text{B}]/[\text{BH}^+]). Индикаторы перекрывают шкалу с нахлёстом, что даёт непрерывную калибровку.

Коротко

Функция кислотности Гаммета H0=pKBH++lg([B]/[BH+])H_0 = \mathrm{p}K_{\text{BH}^+} + \lg([\text{B}]/[\text{BH}^+]) - это продолжение шкалы pH для концентрированных кислот и суперкислот. Она измеряет протонирующую способность среды через равновесие слабого нейтрального индикатора, совпадает с pH в пределе разбавления и становится сильно отрицательной (H0<12H_0 < -12 для суперкислот). Зная H0H_0 и pKBH+\mathrm{p}K_{\text{BH}^+} основания, легко рассчитать степень его протонирования α=x/(1+x)\alpha = x/(1+x), где x=10pKBH+H0x = 10^{\mathrm{p}K_{\text{BH}^+} - H_0}.

Доверьте текст нейросети EssayAI

Открыть EssayAI

Бесплатно, на русском языке и без VPN

Читайте также