15.12: 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：

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：

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 ：

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：

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。

一元酸，像氢氟酸，含有一个可电离的质子。相反，多质子酸含有 两个或两个以上的可电离质子。例如，亚硫酸有两个可电离质子，磷酸有三个。一种多质子酸会依次失去它的每一个质子，每一个反应都有自己的 Ka。从中性分子中除去一个质子比从带负电荷的分子中 除去一个质子更容易，因为负电荷 增加了质子和阴离子之间的 键的强度。因此，对于磷酸而言，去除 第一个质子的 Ka，Ka1，高于去除第二个质子的 Ka，Ka2，而 Ka2 又高于 Ka3。如果 Ka1 比其随后的 Ka 至少大 1000 倍，则仅使用第一个反应就可以估算 多元酸的 pH 值。例如，0.050M 抗坏血酸溶液的 pH 值 可以使用其 Ka1 和 ICE 表来确定。当抗坏血酸溶解在水中时，会分解成水合氢离子和抗坏血酸离子。该反应的 Ka1 为 8×10⁻⁵，它等于水合氢离子浓度 乘以抗坏血酸单阴离子浓度 除以抗坏血酸浓度。用初始浓度和平衡浓度可以 为这个反应准备一个 ICE 表。由于 x 的值很小，0.050 减去 x 大约 等于 0.050。将这些值代入 Ka1 的表达式中，x 的值等于 0.0020M，仅为抗坏血酸初始浓度的 4%因此，该近似是有效的。溶液的 pH 值等于 2.70。在反应的第二步中形成的 抗坏血酸二价阴离子的浓度 也可以用 Ka2 和 ICE 表来计算。Ka2 等于 1.6×10⁻¹²，它可以表示为水合氢离子浓度 乘以抗坏血酸二价阴离子浓度 除以抗坏血酸单阴离子浓度。对于这个反应，ICE 表是用 第一个反应产生的抗坏血酸单阴离子 和水合氢离子的初始浓度 进行填充，0.002M。由于 x 值很小，它可以 从抗坏血酸单阴离子和 水合氢离子的平衡浓度中忽略。将这些值代入 Ka2 表达式 并进行求解，x 为 1.6×10⁻¹²M。因为 x 小于 0.002M 的 5%该近似是有效的。由于在抗坏血酸解离的第二步中 产生的水合氢离子浓度 可以忽略不计，因此 第一个可电离质子决定了 溶液的 pH 值。