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이 강의에서는 산성 및 염기성 용액의 레벨링 효과와 수용액 및 비수성 용액에서의 레벨링 효과를 정의합니다. 화학 시스템에서 다양한 화학종의 경쟁 특성을 이해하는 것이 중요합니다.
용매의 레벨링 효과
일반 산(HA)은 일반 염기(B-)와 반응하여 해당 짝염기(A-)와 짝…
산-염기 반응에서, 용매의 컨쥬게이트 베이스보다 더 강한 염기는 사용될 때, 용매를 분해하여 컨쥬게이트 베이스를 생성한다. 시간이 지남에 따라 베이스가 완전히 소모되어 용매보다 약한 산을 분해할 수 없습니다.
마찬가지로, 용매의 컨쥬게이트산보다 강한 산이 사용되는 경우, 용매를 프로토네이트하여 더 많은 컨쥬게이트 산을 생성한다. 결국, 용매보다 약한 염기를 프로토네이트하기 위해 산의 어느 것도 존재하지 않는다.
두 경우 모두, 용매는 강한 염기 또는 강한 산이 원하는 화합물과 반응하는 것을 방지합니다. 이것은 용매의 평준화 효과입니다.
성공적인 산염-염기 반응을 위해서는 선택한 용매가 반응하지 않고 반응을 촉진해야 합니다.
설명하려면 아마이드 이온의 수성 용액을 고려하십시오. 아마이드 이온은 물의 공주 기지보다 강하고 덜 안정적이기 때문에 물을 비하하여 수산화 이온의 형성을 선호합니다.
따라서 용액에는 대부분 수산화 이온과 몇 개의 아마이드 이온이 포함되어 있습니다. 물의 평준화 효과로 인해 아마이드 이온이 소비되고, pK가물보다 높은값을 가지는 아세틸렌과 같은 화합물의 분해를 사용할 수 없습니다.
pK가아세틸렌보다 높은값을 가진 암모니아와 같은 보다 기본적인 용매가 사용됩니다. 이 경우, 아마이드 이온은 용매 암모니아 대신 아세틸렌을 비하하고, 반응은 원하는 대로 진행되어 아세틸렌의 컨쥬게이트 베이스를 더 많이 생성한다.
요약하자면, 용매의 산도는 강한 염기의 강도를 수준으로 한다. 즉, 사용되는 베이스는 용매의 컨쥬게이트 베이스보다 강할 수 없다.
마찬가지로, 용매 수준의 기본성은 강한 산의 강도로, 이는 사용되는 산이 용매의 컨쥬게이트 산보다 강할 수 없음을 의미한다.
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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.