15.10: Jony jako kwasy i zasady

Sole z jonami kwasowymi

Sole to związki jonowe składające się z kationów i anionów, z których każdy może ulegać reakcji jonizacji kwasowej lub zasadowej z wodą. Dlatego wodne roztwory soli mogą być kwaśne, zasadowe lub obojętne, w zależności od względnej siły kwasowo-zasadowej jonów składowych soli. Przykładowo rozpuszczenie chlorku amonu w wodzie powoduje jego dysocjację, co opisuje równanie:

Jon amonowy jest kwasem sprzężonym z zasadowym amoniakiem, NH3; jego reakcja jonizacji kwasowej (lub hydrolizy kwasowej) jest reprezentowana przez

Ponieważ amoniak jest słabą zasadą, Kb można zmierzyć, a Ka > 0 (jon amonowy jest słabym kwasem).

Jon chlorkowy jest sprzężoną zasadą kwasu chlorowodorowego, dlatego też jego reakcję jonizacji zasadowej (lub hydrolizy zasadowej) reprezentuje wzór

Ponieważ HCl jest mocnym kwasem, Ka jest niezmiernie duży, a Kb ≈ 0 (jony chlorkowe nie ulegają znaczącej hydrolizie). Zatem rozpuszczenie chlorku amonu w wodzie daje roztwór kationów słabego kwasu (NH4+) i obojętnych anionów (Cl-), w wyniku czego powstaje roztwór kwaśny.

Sole z jonami zasadowymi

Jako inny przykład rozważ rozpuszczenie octanu sodu w wodzie:

Jon sodu nie ulega znacznej jonizacji kwasowej ani zasadowej i nie ma wpływu na pH roztworu. Może się to wydawać oczywiste na podstawie wzoru jonu, który wskazuje na brak atomów wodoru i tlenu, ale niektóre rozpuszczone jony metali działają jak słabe kwasy, o czym mowa w dalszej części tej sekcji. Jon octanowy, CH3CO2-, jest sprzężoną zasadą kwasu octowego, CH3CO2H, dlatego też jego reakcję jonizacji zasadowej (lub hydrolizy zasadowej) reprezentuje wzór

Ponieważ kwas octowy jest słabym kwasem, jego Ka jest mierzalne, a Kb > 0 (jon octanowy jest słabą zasadą). Rozpuszczenie octanu sodu w wodzie daje roztwór obojętnych kationów (Na+) i anionów słabej zasady (CH3CO2−), w wyniku czego powstaje roztwór zasadowy.

Sole z jonami kwasowymi i zasadowymi

Niektóre sole składają się zarówno z jonów kwasowych, jak i zasadowych, dlatego pH ich roztworów będzie zależeć od względnej siły tych dwóch gatunków. Dla tego typu soli porównanie wartości Ka i Kb pozwala przewidzieć stan kwasowo-zasadowy roztworu.

Jonizacja uwodnionych jonów metali

W odróżnieniu od jonów metali z grup 1 i 2 z poprzednich przykładów (Na+, Ca2+ itd.), niektóre jony metali działają jak kwasy w roztworach wodnych. Jony te nie są po prostu luźno solwatowane przez cząsteczki wody po rozpuszczeniu. Zamiast tego są kowalencyjnie związane z ustaloną liczbą cząsteczek wody, tworząc jon złożony (patrz rozdział o chemii koordynacyjnej). Przykładowo, rozpuszczanie azotanu glinu w wodzie jest zwykle przedstawiane jako

Jon glinu (III) w rzeczywistości reaguje z sześcioma cząsteczkami wody, tworząc stabilny jon kompleksowy, dlatego bardziej wyraźnym przedstawieniem procesu rozpuszczania jest

Jony Al(H2O)63+ obejmują wiązania pomiędzy centralnym atomem Al i atomami O sześciu cząsteczek wody. W konsekwencji wiązania O – H związanych cząsteczek wody są bardziej polarne niż w niezwiązanych cząsteczkach wody, co sprawia, że związane cząsteczki są bardziej podatne na oddawanie jonu wodorowego:

Koniugat zasady wytworzony w tym procesie zawiera pięć innych związanych cząsteczek wody, które mogą działać jak kwasy, dzięki czemu możliwe jest sekwencyjne lub stopniowe przenoszenie protonów, jak przedstawiono w kilku poniższych równaniach:

Oprócz metali alkalicznych (grupa 1) i niektórych metali ziem alkalicznych (grupa 2), większość jonów innych metali ulegnie w pewnym stopniu jonizacji kwasowej po rozpuszczeniu w wodzie. Siła kwasowa tych jonów kompleksowych zwykle wzrasta wraz ze wzrostem ładunku i zmniejszaniem się wielkości jonów metali. Poniżej przedstawiono równania jonizacji kwasu pierwszego etapu dla kilku innych jonów metali kwasowych:

Kwasy, zasady i związki jonowe tworzą aniony i kationy, gdy rozpuszczają się w wodzie.

Aniony, które są sprzężoną zasadą mocnych kwasów, takie jak chlorek powstały w wyniku dysocjacji kwasu solnego, są zbyt słabe, aby przyjąć proton z wody. Dlatego jony chlorkowe mają pH neutralne; Oznacza to, że nie są ani kwaśne, ani zasadowe.

Natomiast aniony utworzone przez słabe kwasy, takie jak octan, sprzężona zasada kwasu octowego, działa jak słaba zasada, ponieważ może przyjąć proton z wody.

Kationy, które są sprzężonym kwasem mocnych zasad, takie jak jony sodu utworzone przez wodorotlenek sodu, nie mogą przyjmować protonów, a zatem mają również neutralne pH.

W przeciwieństwie do tego, kationy wytwarzane przez słabe zasady, takie jak amon, sprzężony kwas amoniaku, działa jak słaby kwas, ponieważ może oddawać protony wodzie.

Kiedy jonizują, sole mogą wytwarzać roztwory kwaśne i zasadowe, jeśli zawierają sprzężony kwas lub sprzężoną zasadę słabego kwasu lub zasady.

Bromek amonu wytwarza jony amonowe i bromkowe w wodzie. Jony bromkowe mają pH neutralne, podczas gdy jony amonowe działają jak słaby kwas, ponieważ mogą oddawać protony.

Kiedy octan sodu rozpuszcza się w wodzie, jony sodu nie reagują z wodą; jednak jon octanowy może przyjąć proton, tworząc zasadowy roztwór.

Sole zawierające kationy i aniony o neutralnym pH tworzą obojętne roztwory. Na przykład chlorek sodu dysocjuje na jony sodu i jony chlorkowe po rozpuszczeniu w wodzie. Ponieważ oba te jony nie mogą ani przyjmować, ani oddawać protonów, tworzą neutralny roztwór.

Małe i silnie naładowane jony metali, takie jak żelazo(III) i glin(III), mogą również działać jako słabe kwasy, gdy zostaną uwodnione.

Kiedy aluminium(III) jest uwodnione, działa jak słaby kwas i przenosi protony ze swoich wód hydratacyjnych do wolnych cząsteczek wody, co prowadzi do produkcji jonów hydroniowych.

Im mniejszy jon metalu i im wyższe ładunki na nim obecne, tym większa jest jego skłonność do działania jak kwas. Na przykład K_a dla Fe(III) wynosi 6,3 × 10⁻³, podczas gdy K_a dla Ni(II) wynosi 2,5 × 10⁻¹¹.