16.9: 다양성자산의 적정

다양자성 산은 하나 이상의 이온화 가능한 수소를 함유하고 있으며 단계적인 이온화 과정을 거칩니다. 이온화 가능한 양성자의 산 해리 상수가 서로 충분히 다른 경우, 이러한 다양자성 산의 적정 곡선은 이온화 가능한 수소 각각에 대해 뚜렷한 당량점을 생성합니다. 따라서 이양성자산을 적정하면 2개의 당량점이 형성되는 반면, 삼양성산을 적정하면 적정 곡선에 3개의 당량점이 형성됩니다.

탄산(H_2CO_3)은 약한 이양성자산의 한 예입니다. 탄산의 첫 번째 이온화에서는 소량의 하이드로늄 이온과 중탄산염 이온이 생성됩니다.

첫 번째 이온화:

중탄산염 이온은 산으로 작용할 수도 있습니다. 이는 더 적은 양의 하이드로늄 이온과 탄산 이온을 이온화하고 형성합니다.

두 번째 이온화:

K_a1은 K_a2보다 10^4배 더 큽니다. 따라서 H_2CO_3를 NaOH와 같은 강염기로 적정하면 이온화 가능한 각 수소에 대해 두 개의 뚜렷한 당량점이 생성됩니다.

삼양성산인 인산은 세 단계로 이온화됩니다.

첫 번째 이온화:

두 번째 이온화:

세 번째 이온화:

H_3PO_4를 KOH와 같은 강염기로 적정하면 각 이온화 가능한 수소에 대해 3개의 당량점이 생성됩니다. 그러나 HPO_4^2−는 매우 약한 산이기 때문에 적정 곡선에서 세 번째 당량점을 쉽게 식별할 수 없습니다.

이 문서는 에서 발췌되었습니다  Openstax, Chemistry 2e, Section 14.5: Polyprotic Acids.

다양성자산은 다중 이온화 양성자를 포함하고 있으며 이 양성자 각각은 별개의 단계로 분리됩니다. 각각의 양성자의 손실에 따라 Ka가 서로 다르며 각각의 후속 산해리 상수는 이전의 것보다 약합니다. 예를 들어 아황산에는 두 개의 이온화 양성자가 있습니다.

첫 번째 양성자 해리의 Ka1은 1.6 10⁻²이고 두 번째 양성자 해리의 Ka2는 6.4 10⁻⁸입니다. 만약 아황산이 수산화 나트륨과 같은 강염기로 적정화되면 첫 번째 이온화 양성자는 처음에 제거되어 아황산 수소염 이온을 생성하게 됩니다. 이 적정 곡선 부분은 일양성자 산과 강염기의 곡선과 비슷합니다.

곡선에는 당량점이 있으며 반 당량점에서의 솔루션의 pH는 pKa1과 같습니다. 더 많은 염기가 추가되면서 두 번째 이온화 양성자가 중화됩니다. 아황산 수소염 이온의 농도는 초기 아황산과 같기 때문에 이를 중화시키기 위해서는 동일한 양의 염기가 필요합니다.

따라서 이염기산 한 몰을 완전히 중화시키기 위해서는 두 몰의 염기가 필요합니다. 두 번째 중화 단계의 적정 곡선에는 용액의 pH가 pKa2와 같은 첫 번째 반 당량점과 염기 영역에 있는 두 번째 당량점도 있습니다. 마찬가지로 강염기를 가진 삼양성자 인산의 적정화 곡선은 세 개의 당량점을 갖습니다.

따라서 약한 다양성자 산을 적정하는 동안 이온화 양성자의 Ka 값 사이의 차이가 10, 000배 이상인 한 적정 곡선에서 생성된 당량점의 수는 존재하는 이온화 양성자의 수와 같습니다.