多质子酸

酸按照每一分子在反应中可以放弃的质子数量进行分类。 HCL ， HNO3 和 HPN 等酸在每个分子中含有一个可电离氢原子，称为单原子酸。 他们对水的反应如下：

单质子酸：与水的反应

HCl (aq) + H2O (l) ⟶ H3O+ (aq) + Cl− (aq)

HNO3 (aq) + H2O (l) ⟶ H3O+ (aq) + NO3− (aq)

HCN (aq) + H2O (l) ⇌ H3O+ (aq) + CN− (aq)

尽管它含有四个氢原子，但乙酸 CH₃CO₂H 也是单质子，因为只有羧基组的氢原子会与碱发生反应：

同样，单质子碱是接受单个质子的碱。

双质子酸每分子含有两个可电离氢原子；此类酸的电离发生在两个步骤中。 第一次电离的发生范围总是大于第二次电离。 例如，硫酸 (强酸) 的电离如下：

	双质子酸：硫酸 (H2SO4)
1st 首次电离	H2SO4 (aq) + H2O (l) ⇌ H3O+ (aq) + HSO4− (aq)	Ka1 = 102 以上; 完全解离
2nd 二次电离	HSO4− (aq) + H2O (l) ⇌ H3O+ (aq) + SO42− (aq)	Ka2 = 1.2 × 10−2

所有多质子酸都将执行此分步电离过程。 粘性酸H₂CO₃是弱双质子酸的一个示例。 碳酸的首次电离会产生少量的水合氢离子和碳酸二酯离子。

首次电离: H₂CO₃ (aq) + H₂O (l) ⇌ H₃O⁺ (aq) + HCO₃⁻ (aq)

二碳酸盐离子也可用作酸。 它可以使水合氢离子和碳酸盐离子的电离和形成更小的数量。

二次电离: HCO₃⁻ (aq) + H₂O (l) ⇌ H₃O⁺ (aq) + CO₃²⁻ (aq)

K_H2CO3 比 K_HCO3− 大 10⁴ 倍，因此 H₂CO₃ 是溶液中水合氢离子的主要生产者. 这意味着会形成很少的 HCO₃⁻ 由电离 H₂CO₃ 离子产生水合氢离子 (和碳酸盐离子)，H₃O⁺ 和 HCO₃⁻ 的浓度基本上等同于纯水溶液中的 H₂CO₃。

如果弱双质子酸的第一个电离常数大于第二个，系数至少为 20 ，则应分别处理第一个电离并计算其产生的浓度，然后再计算随后电离产生的物种的计算浓度。 这种方法在以下示例练习中得到了证明。

双质子酸电离

“碳化水”含有一个可调的数量二氧化碳溶解。 由于CO₂与水发生反应形成碳酸 H₂CO₃，因此溶液酸酸性强。 在初始值为[H₂CO₃] = 0.033的CO₂ 饱和溶液中，[H₃O⁺], [HCO₃⁻], 和 [CO₃²⁻] 的值是什么？

如电离常数所示，H₂CO₃的酸比HCO₃⁻强得多，因此可以单独处理逐步电离反应。 使用提供的信息，为这一第一个电离步骤准备了一个 ICE表格 ：

	H2CO3 (aq)	H3O+ (aq)	HCO3− (aq)
初始浓度 (M)	0.033	~0	0
变化 (M)	−x	+x	+x
平衡浓度 (M)	0.033 − x	x	x

将平衡浓度替换为方程提供的平衡浓度

假设x << 0.033并解简化的方程得出

ICE表格 将 x 定义为等于碳酸氢离子体积摩尔浓度和水合氢离子体积摩尔浓度：

使用上述计算的碳酸氢离子浓度，第二次电离会受到类似的平衡计算： HCO₃⁻ (aq) + H₂O (l) ⇌ H₃O⁺ (aq) + CO₃²⁻ (aq)

总结：处于平衡时 [H₂CO₃] = 0.033 M; [H₃O⁺] = 1.2 × 10⁻⁴; [HCO₃⁻] = 1.2 × 10⁻⁴ M; 且 [CO₃²⁻] = 4.7 × 10⁻¹¹ M.

三质子酸是一种具有三个可电离 H 原子的酸。 磷酸就是一个例子：

	三质子酸：磷酸 (H3PO4)
1st 首次电离	H3PO4 (aq) + H2O (l) ⇌ H3O+ (aq) + H2PO4− (aq)	Ka1 = 7.5 × 10−3
2nd 二次电离	H2PO4− (aq) + H2O (l) ⇌ H3O+ (aq) + HPO42− (aq)	Ka2 = 6.2 × 10−8
3rd 三次电离	HPO42− (aq) + H2O (l) ⇌ H3O+ (aq) + PO43− (aq)	Ka3 = 4.2 × 10−13

至于双质子酸示例，每一个连续电离反应都比前者的外延的小，反映在逐步酸电离常数的数值下降中。 这是多质子酸的一个一般特性，连续电离常数通常相差约 10⁵ 到 10⁶。

这组三种离解反应似乎使 H₃PO₄ 溶液中的平衡浓度计算变得复杂。 但是，由于连续电离常数相差 10⁵ 到 10⁶，因此伴随电离反应的浓度小变化中存在很大差异。 这允许使用数学简化的假设和流程，如以上示例所示。 多质子碱能够接受多个氢离子。 碳酸盐离子是双质子碱的一个示例，因为它可以接受两个质子，如下所示。 与多质子酸的情况类似，请注意电离常数随着电离步骤的增加而减少。 同样，涉及多质子碱的平衡计算遵循与多质子酸相同的方法。

本文改编自 Openstax, 化学 2e, 第14.5节：多质子酸。