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 , но в концентрированной серной кислоте, олеуме или суперкислотах активность протона на порядки превосходит то, что можно описать шкалой . Луис Гаммет в 1932 году предложил функцию , которая количественно продолжает шкалу кислотности далеко за пределы воды. Ниже разберём физический смысл , вывод через индикаторное равновесие, связь с pH, шкалу суперкислот и типовые расчёты.
Зачем нужна функция кислотности Гаммета
В разбавленном растворе работает определение : 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 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 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 .
Прежде чем разбирать формулы, удобно прикинуть на конкретных числах: какой будет , 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 (например, нитроанилин), которое в кислой среде протонируется:
Термодинамическая константа протонирования сопряжённой кислоты записывается через активности:
Прологарифмируем и выразим величину, не зависящую от конкретного индикатора:
Левую часть Гаммет и обозначил как функцию кислотности:
Тогда рабочая формула, по которой реально определяют из эксперимента, принимает вид:
Здесь - известный показатель кислотности сопряжённой кислоты индикатора, а отношение измеряют спектрофотометрически (нейтральная и протонированная формы поглощают по-разному).
Принцип постоянства отношения коэффициентов активности
Ключевое допущение Гаммета: отношение примерно одинаково для всех структурно близких индикаторов в одной и той же среде. Тогда 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, , логарифм обращается в ноль, и . 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 - это и есть проверка самосогласованности шкалы. Так удаётся протянуть единую кривую как функцию массовой доли : от в разбавленном растворе до в 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, , активность совпадает с концентрацией, и тогда:
То есть - это естественное продолжение шкалы pH в область, где pH уже неизмерим. Для сильной кислоты , как и pH. Но для серной кислоты , тогда как формальный «pH» здесь лишён смысла. Аналогично определяют функции для других типов оснований: для анионных оснований, (или ) для образования карбкатионов из спиртов.
Шкала суперкислот
Суперкислота - это среда с кислотностью выше, чем у серной кислоты, то есть с . Именно по функции кислотности Гаммета суперкислоты и определяются количественно.
- Безводный : .
- Хлорсульфоновая кислота : .
- «Магическая кислота» : .
- Фторсульфоновая с избытком (фторантимоновая система ): до .
Чем более отрицательно значение , 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 среды и основания, можно найти долю протонированной формы. Из рабочей формулы:
Обозначим . Тогда степень протонирования (мольная доля протонированной формы):
Например, для основания с в среде с получаем , то есть - основание протонировано почти полностью. Наоборот, если , а , то и - 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 , и только при и ниже величина становится положительной, то есть равновесие сдвигается в сторону протонированной формы . Так шкала Гаммета превращается из абстрактной величины в рабочий инструмент предсказания реакционной способности.
Частые ошибки
- Путают и pH. совпадает с pH только в пределе бесконечного разбавления; в концентрированных кислотах это разные величины, и подставлять в «измеренный pH-метром» нельзя.
- Игнорируют коэффициенты активности. изначально содержит отношение ; нельзя заменять активности на концентрации в концентрированной среде.
- Берут индикатор не в том диапазоне. Спектрофотометрически отношение измеримо только когда обе формы заметно присутствуют - то есть когда близко к выбранного индикатора.
- Знак путают. Чем сильнее кислота, тем меньше (более отрицательно). Значение соответствует более сильной кислоте, чем .
- Смешивают функции. определена для нейтральных оснований; для анионных используют , для генерации карбкатионов - . Это разные шкалы.
FAQ
Чем функция кислотности Гаммета отличается от pH? pH характеризует активность протона в разбавленном водном растворе и ограничен примерно диапазоном . Функция кислотности Гаммета измеряет протонирующую способность любой, в том числе концентрированной, среды через равновесие нейтрального индикатора и продолжает шкалу далеко в отрицательную область.
Что означает отрицательное значение ? Отрицательное означает протонирующую способность выше, чем у сильной кислоты. Чем меньше (отрицательнее) , тем сильнее среда как кислота. У серной кислоты , у суперкислот - до .
Как экспериментально определяют ? Берут серию слабых нейтральных оснований-индикаторов с известными , измеряют спектрофотометрически отношение в исследуемой среде и подставляют в . Индикаторы перекрывают шкалу с нахлёстом, что даёт непрерывную калибровку.
Коротко
Функция кислотности Гаммета - 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 ( для суперкислот). Зная и основания, легко рассчитать степень его протонирования , где .
Читайте также

Гем, железо и протопорфирин IX: строение и биосинтез
Гем — это комплекс железа Fe²⁺ с протопорфирином IX. Разбираем строение тетрапиррольного кольца, восемь ферментов биосинтеза от АЛК до феррохелатазы, регуляцию и порфирии.

Бактериальная эндоспора: структура оболочек послойно
Разбираем, из чего состоит бактериальная эндоспора: структура сердцевины, кортекса и оболочек, роль дипиколината кальция и SASP, почему спора выдерживает жар и высыхание.

Диаграмма Герцшпрунга-Рассела: как читать жизнь звезды
Разбираем, что означают оси светимости и температуры на диаграмме Герцшпрунга-Рассела и как по положению точки понять, какая перед вами звезда и что её ждёт.