5.6
Effet nivelant et solutions acido-basiques non aqueuses
Cette leçon définit l'effet nivelant dans les solutions acides et basiques et son rôle dans les solutions aqueuses et non aqueuses. Il est essentiel d…
Dans une réaction acide-base, lorsqu’une base plus forte que la base conjuguée du solvant est utilisée, elle déprotone le solvant pour produire la base conjuguée. Au fil du temps, la base est complètement consommée, ce qui la rend indisponible pour déprotoner tout acide plus faible que le solvant.
De même, si un acide plus fort que l’acide conjugué du solvant est utilisé, il protone le solvant pour produire une plus grande quantité d’acide conjugué. Finalement, aucun acide n’est présent pour protoner une base plus faible que le solvant.
Dans les deux cas, le solvant empêche la base plus forte ou l’acide plus fort de réagir avec le composé souhaité. Il s’agit de l’effet de nivellement du solvant.
Pour qu’une réaction acide-basique réussisse, le solvant choisi doit faciliter la réaction sans réagir.
Pour illustrer, considérons une solution aqueuse d’ions amide. Étant donné qu’un ion amide est plus fort et moins stable que la base conjuguée de l’eau, il déprotone l’eau, favorisant la formation d’un plus grand nombre d’ions hydroxyde.
Par conséquent, la solution contient principalement des ions hydroxyde et peu d’ions amide. En raison de l’effet de nivellement de l’eau, les ions amide sont consommés et ne sont pas disponibles pour la déprotonation d’un composé comme l’acétylène qui a une valeur pKa supérieure à celle de l’eau.
Supposons qu’un solvant plus basique comme l’ammoniac avec une valeur pK supérieure à celle de l’acétylène soit utilisé. Dans ce cas, les ions amide déprotoneront l’acétylène au lieu de l’ammoniac solvant, et la réaction se déroulera comme souhaité, produisant davantage de base conjuguée d’acétylène.
Pour résumer, l’acidité du solvant nivelle la force des bases fortes, c’est-à-dire que la base utilisée ne peut pas être plus forte que la base conjuguée du solvant.
De même, la basicité du solvant nivelle la force des acides forts, ce qui signifie que l’acide utilisé ne peut pas être plus fort que l’acide conjugué du solvant.
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Q1: What is the leveling effect in acid-base chemistry?
The leveling effect occurs when a solvent prevents a strong acid or base from reacting with a desired compound. If a base stronger than the solvent's conjugate base is used, it deprotonates the solvent instead, consuming the base. Similarly, a strong acid protonates the solvent rather than the target base. The solvent essentially levels the strength of strong acids and bases, making them unavailable for the intended reaction.
Q2: Why does water prevent amide ions from deprotonating acetylene?
Amide ions are stronger bases than water's conjugate base, hydroxide ions. In aqueous solution, amide ions preferentially deprotonate water to form hydroxide ions, which are more stable. This consumes the amide ions, leaving them unavailable to deprotonate acetylene. Since acetylene has a higher pKa than water, the leveling effect of water prevents the desired acid-base reaction from occurring.
Q3: How does solvent choice affect the position of equilibrium in acid-base reactions?
Solvent selection determines whether an acid-base reaction proceeds as intended. The solvent's pKa must be positioned so it remains unreacted. For deprotonating acetylene with amide, ammonia (pKa 38) works better than water (pKa 15.7) because acetylene becomes the stronger acid. Choosing an appropriate solvent ensures the position of equilibrium in acid-base reactions favors product formation rather than solvent consumption.
Q4: What happens when a strong acid like perchloric acid is dissolved in water?
Perchloric acid protonates water molecules instead of weaker bases like morpholine. This produces hydronium ions, which are more stable than perchlorate ions. The equilibrium favors hydronium formation, consuming the acid and making it unavailable to protonate morpholine. Water's leveling effect on strong acids prevents the intended acid-base reaction from occurring.
Q5: Why is ammonia a better solvent than water for reacting amide with acetylene?
Ammonia has a pKa of 38, higher than acetylene's pKa of 25, making acetylene the stronger acid. In ammonia, amide ions deprotonate acetylene rather than the solvent, allowing the reaction to proceed. Water's lower pKa (15.7) causes amide to deprotonate water instead. Selecting a solvent with appropriate relative stability and degree of solvation ensures the desired reactants interact.
Q6: How does pKa determine whether a solvent will level acid or base strength?
A solvent's pKa value determines its acidity and basicity relative to reactants. If a base's conjugate acid has a lower pKa than the solvent, the base will deprotonate the solvent. If an acid's conjugate base has a higher pKa than the solvent, the acid will protonate the solvent. Understanding pKa and relative strengths allows chemists to predict and prevent unwanted leveling effects.
Q7: What conditions must a solvent satisfy to avoid the leveling effect?
A solvent must not be deprotonated by strong bases or protonated by strong acids before they react with the desired compound. The solvent's pKa should fall outside the range of the reactants' acid-base strengths. In water, only bases weaker than hydroxide and acids weaker than hydronium can be used effectively. Non-aqueous solvents with different pKa values expand the range of accessible acid-base reactions.