What is the difference between monoprotic and polyprotic acids?

Monoprotic acids contain a single ionizable proton, like hydrofluoric acid, while polyprotic acids contain two or more ionizable protons. Sulfurous acid has two ionizable protons, and phosphoric acid has three. Each proton is lost sequentially, with each reaction having its own acid ionization constant (Ka).

Why does each successive proton become harder to remove from a polyprotic acid?

Removing a proton from a neutral molecule is easier than removing one from a negatively charged ion because negative charge strengthens the bond between the proton and the anion. This is why Ka1 is larger than Ka2, which is larger than Ka3 for polyprotic acids like phosphoric acid.

When can you estimate the pH of a polyprotic acid using only the first ionization?

You can estimate pH using only the first reaction if Ka1 is at least one thousand times larger than subsequent Ka values. For example, ascorbic acid's Ka1 of 8 × 10−5 is much larger than its Ka2, so the first ionization dominates the pH calculation using an ICE table.

How do you calculate the concentration of dianion species in a polyprotic acid solution?

Use an ICE table with the second ionization constant (Ka2) and the monoanion concentration from the first ionization. For ascorbic acid, Ka2 equals 1.6 × 10−12, and the resulting dianion concentration is negligible, confirming that the first ionization determines the solution's pH.

What are examples of diprotic and triprotic acids?

Sulfuric acid and carbonic acid are diprotic acids with two ionizable protons. Phosphoric acid is a triprotic acid with three ionizable protons. Each successive ionization constant decreases significantly, typically by factors of 10^5 to 10^6, allowing simplified calculations for weak acid solutions and dissociation.

How do stepwise ionization constants differ in polyprotic acids?

Successive ionization constants decrease dramatically in polyprotic acids. For phosphoric acid, Ka1 is 7.5 × 10−3, Ka2 is 6.2 × 10−8, and Ka3 is 4.2 × 10−13. These large differences allow use of math-simplifying assumptions when calculating equilibrium concentrations in solutions.

Can polyprotic bases accept multiple protons?

Yes, polyprotic bases can accept more than one hydrogen ion. The carbonate ion is a diprotic base capable of accepting two protons. Like polyprotic acids, equilibrium calculations for polyprotic bases follow similar approaches using stepwise ionization constants and ICE tables.

15.12

Polyprotische Säuren

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Monoprotische Säuren enthalten wie Flusssäure ein einzelnes ionisierbares Proton. Im Gegensatz dazu enthalten polyprotische Säuren zwei oder mehr ionisierbare Protonen. Zum Beispiel hat schwefelhaltige Säure zwei ionisierbare Protonen und Phosphorsäure drei.

Eine polyprotische Säure verliert jedes ihrer Protonen nacheinander, und jede Reaktion hat ihr eigenes K_a.

Es ist einfacher, ein Proton aus einem neutralen Molekül zu entfernen als aus einem negativ geladenen, da die negative Ladung die Stärke der Bindung zwischen dem Proton und dem Anion erhöht.

Daher ist für Phosphorsäure das K_a für die Entfernung des ersten Protons, K_a1, höher als das zweite, K_a2, das höher als K_a3 ist.

Der pH-Wert einer polyprotischen Säure kann nur mit der ersten Reaktion abgeschätzt werden, wenn K_a1 mindestens tausendmal größer ist als die nachfolgenden K_a.

So kann beispielsweise der pH-Wert einer 0,050 molaren Ascorbinsäurelösung mit deren K_a1 und einer ICE-Tabelle bestimmt werden.

Wenn Ascorbinsäure in Wasser gelöst wird, dissoziiert sie in Hydronium- und Ascorbationen. Der K_a1 für diese Reaktion beträgt 8 × 10⁻⁵ und ist gleich der Konzentration von Hydronium multipliziert mit der Konzentration von Ascorbatmonoanion, dividiert durch die Konzentration von Ascorbinsäure.

Für diese Reaktion kann eine ICE-Tabelle mit der Anfangs- und Gleichgewichtskonzentration erstellt werden. Aufgrund des kleinen Wertes von x entspricht 0,050 minus x ungefähr 0,050.

Setzt man diese Werte in den Ausdruck für K_a1 ein, so ist der Wert für x gleich 0,0020 molaren, was nur 4 % der Anfangskonzentration von Ascorbinsäure entspricht. Somit ist die Annäherung gültig.

Der pH-Wert der Lösung beträgt 2,70.

Die Konzentration des im zweiten Reaktionsschritt gebildeten Ascorbatdianions kann auch mit Hilfe von K_a2 und einer ICE-Tabelle berechnet werden.

K_a2 ist gleich 1,6 × 10⁻¹² und kann ausgedrückt werden als die Konzentration von Hydronium multipliziert mit der Konzentration von Ascorbatdianion dividiert durch die Konzentration von Ascorbatmonoanion.

Für diese Reaktion wird die ICE-Tabelle mit der Anfangskonzentration von Ascorbat-Monoanion und Hydronium aus der ersten Reaktion, 0,002 molaren, ausgefüllt. Aufgrund des kleinen Wertes von x kann es bei den Gleichgewichtskonzentrationen von Ascorbatmonoanion und Hydronium weggelassen werden.

Nach dem Einsetzen dieser Werte in den K _a2-Ausdruck und dem Lösen beträgt x 1,6 ×10⁻¹² molaren Durchmesser.

Da x weniger als 5 % von 0,002 molar ist, ist die Näherung gültig.

Da die Konzentration der Hydroniumionen, die während des zweiten Schritts der Ascorbinsäuredissoziation erzeugt wurden, vernachlässigbar ist, bestimmt das erste ionisierbare Proton den pH-Wert der Lösung.

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Säuren werden nach der Anzahl der Protonen pro Molekül klassifiziert, die sie bei einer Reaktion abgeben können. Säuren wie HCl, HNO₃ und HCN, die in…