15.12: Polyprotische Säuren

Säuren werden nach der Anzahl der Protonen pro Molekül klassifiziert, die sie in einer Reaktion abgeben können. Säuren wie HCl, HNO₃ und HCN, die in jedem Molekül ein ionisierbares Wasserstoffatom enthalten, werden als monoprotische Säuren bezeichnet. Ihre Reaktionen mit Wasser sind:

Obwohl sie vier Wasserstoffatome enthält, ist Essigsäure,_CH3CO₂H, auch monoprotisch, da nur das Wasserstoffatom aus der Carboxylgruppe (COOH) mit Basen reagiert

In ähnlicher Weise sind monoprotische Basen Basen, die ein einzelnes Proton aufnehmen.

Diprotische Säuren enthalten zwei ionisierbare Wasserstoffatome pro Molekül, die Ionisation solcher Säuren erfolgt in zwei Schritten. Die erste Ionisation findet immer in größerem Maße statt als die zweite Ionisation. Zum Beispiel ionisiert Schwefelsäure, eine starke Säure, wie folgt:

Dieser stufenweise Ionisationsprozess findet bei allen polyprotischen Säuren statt. Kohlensäure, H₂CO₃, ist ein Beispiel für eine schwache Diprotinsäure. Bei der ersten Ionisierung von Kohlensäure entstehen Hydronium-Ionen und Bikarbonat-Ionen in geringen Mengen.

Erste Ionisation: H₂CO₃ (aq) + H₂O (l) ⇌ H₃O⁺ (aq) + HCO₃⁻ (aq)

Das Bikarbonat-Ion kann auch als Säure wirken. Es ionisiert und bildet Hydronium-Ionen und Karbonation-Ionen in noch geringeren Mengen.

Zweite Ionisation: HCO₃⁻ (aq) + H₂O (l) ⇌ H₃O⁺ (aq) + CO₃²⁻ (aq)

K_H2CO3 ist um den Faktor 10⁴ größer als K_HCO3−, so dass H₂CO₃ der dominierende Produzent von Hydroniumionen in der Lösung ist. Dies bedeutet, dass nur wenig von dem durch die Ionisation von H₂CO₃ gebildeten HCO₃ ionisiert, um Hydroniumionen (und Karbonationen) zu erhalten, und die Konzentrationen von H₃O⁺ und HCO₃ ^– in einer reinen wässrigen Lösung von H₂CO₃ praktisch gleich sind.

Ist die erste Ionisationskonstante einer schwachen Diprotinsäure um mindestens den Faktor 20 größer als die zweite, so ist es angebracht, die erste Ionisation getrennt zu behandeln und die daraus resultierenden Konzentrationen zu berechnen, bevor die Konzentrationen der Spezies berechnet werden, die sich aus der nachfolgenden Ionisation ergeben. Dieser Ansatz wird in der folgenden Beispielübung veranschaulicht.

Ionisation einer diprotischen Säure

“Kohlensäurehaltiges Wasser” enthält eine schmackhafte Menge an gelöstem Kohlendioxid. Die Lösung ist sauer, weil CO₂ mit Wasser zu Kohlensäure H₂CO₃ reagiert. Was sind [H₃O⁺], [HCO₃⁻] und [CO₃²⁻] in einer gesättigten Lösung von CO₂ mit einem anfänglichen [H₂CO₃] = 0,033?

Wie die Ionisationskonstanten zeigen, ist H₂CO₃ eine viel stärkere Säure als HCO₃^–, so dass die schrittweisen Ionisationsreaktionen separat behandelt werden können. Anhand der bereitgestellten Informationen wird eine ICE-Tabelle für diesen ersten Ionisationsschritt erstellt:

Setzt man die Gleichgewichtskonzentrationen in die Gleichgewichtsgleichung ein, erhält

Die Annahme von x << 0,033 und das Lösen der vereinfachten Gleichung ergibt

In der ICE-Tabelle wurde x als gleich der Molarität der Bikarbonat-Ionen und der Molarität der Hydronium-Ionen definiert:

Unter Verwendung der oben berechneten Bikarbonat-Ionenkonzentration wird die zweite Ionisation einer ähnlichen Gleichgewichtsberechnung unterzogen: HCO₃⁻ (aq) + H₂O (l) ⇌ H₃O⁺ (aq) + CO₃²⁻ (aq)

Zusammenfassend: im Gleichgewicht [H₂CO₃] = 0,033 M; [H₃O⁺] = 1,2 × 10⁻⁴; [HCO₃⁻] = 1,2 × 10⁻⁴ M; und [CO₃²⁻] = 4,7 × 10⁻¹¹ M.

Eine Triprotinsäure ist eine Säure, die drei ionisierbare H-Atome hat. Phosphorsäure ist ein Beispiel:

Was die Beispiele für diprotische Säuren betrifft, so ist jede aufeinanderfolgende Ionisationsreaktion weniger umfangreich als die erste, was sich in abnehmenden Werten für die schrittweisen Säureionisationskonstanten widerspiegelt. Dies ist ein allgemeines Merkmal polyprotischer Säuren, und aufeinanderfolgende Ionisationskonstanten unterscheiden sich oft um den Faktor 10,⁵ bis 10,⁶.

Dieser Satz von drei Dissoziationsreaktionen scheint die Berechnung der Gleichgewichtskonzentrationen in einer Lösung von H₃PO₄ kompliziert zu machen. Da sich die aufeinanderfolgenden Ionisationskonstanten jedoch um den Faktor 10⁵ bis 10⁶ unterscheiden, gibt es große Unterschiede in den kleinen Konzentrationsänderungen, die die Ionisationsreaktionen begleiten. Dies ermöglicht die Verwendung von mathematisch vereinfachenden Annahmen und Prozessen, wie in den obigen Beispielen gezeigt. Polyprotische Basen sind in der Lage, mehr als ein Wasserstoffion aufzunehmen. Das Karbonation-Ion ist ein Beispiel für eine diprotische Base, da es zwei Protonen aufnehmen kann, wie unten gezeigt. Ähnlich wie bei polyprotischen Säuren ist zu beachten, dass die Ionisationskonstanten mit dem Ionisationsschritt abnehmen. Ebenso folgen Gleichgewichtsberechnungen mit polyprotischen Basen den gleichen Ansätzen wie bei polyprotischen Säuren.

Dieser Text wurde angepasst von Openstax, Chemie 2e, Abschnitt 14.5: Polyprotische Säuren.