15.10: Jony jako kwasy i zasady

Sole z jonami kwaśnymi

Sole to związki jonowe złożone z kationów i anionów, z których każdy może być zdolny do przechodzenia reakcji jonizacji kwasowej lub zasadowej z wodą. Wodne roztwory soli mogą być zatem kwaśne, zasadowe lub obojętne, w zależności od względnej mocy kwasowo-zasadowej jonów składowych soli. Na przykład rozpuszczenie chlorku amonu w wodzie powoduje jego dysocjację, jak opisano równaniem:

Jon amonowy jest sprzężonym kwasem amoniaku zasadowego, NH₃; jego reakcja jonizacji kwasowej (lub hydrolizy kwasowej) jest reprezentowana przez

Ponieważ amoniak jest słabą zasadą, K_b jest mierzalne, a K_a > 0 (jon amonowy jest słabym kwasem).

Jon chlorkowy jest sprzężoną zasadą kwasu solnego, a zatem jego reakcja jonizacji zasady (lub hydrolizy zasady) jest reprezentowana przez

Ponieważ HCl jest mocnym kwasem, K_{a jest} niezmiernie duży, a K_b ≈ 0 (jony chlorkowe nie ulegają znaczącej hydrolizie). Tak więc rozpuszczenie chlorku amonu w wodzie daje roztwór słabych kationów kwasowych (NH₄⁺) i obojętnych anionów (Cl⁻), w wyniku czego powstaje kwaśny roztwór.

Sole z jonami zasadowymi

Jako inny przykład rozważ rozpuszczenie octanu sodu w wodzie:

Jon sodu nie ulega znacznej jonizacji kwasowej lub zasadowej i nie ma wpływu na pH roztworu. Może się to wydawać oczywiste ze wzoru jonu, który wskazuje na brak atomów wodoru lub tlenu, ale niektóre rozpuszczone jony metali działają jako słabe kwasy, jak omówiono w dalszej części tej sekcji. Jon octanowy,_CH3CO₂⁻, jest sprzężoną zasadą kwasu octowego,_CH3CO2H, a zatem jego reakcja jonizacji zasady (lub hydrolizy zasady) jest reprezentowana przez

Ponieważ kwas octowy jest słabym kwasem, jego K_a jest mierzalne, a K_b > 0 (jon octanowy jest słabą zasadą). Rozpuszczając octan sodu w wodzie, otrzymuje się roztwór obojętnych kationów (Na⁺) i słabych anionów zasadowych (_CH3CO₂⁻), w wyniku czego powstaje roztwór zasadowy.

Sole z jonami kwaśnymi i zasadowymi

Niektóre sole składają się zarówno z jonów kwaśnych, jak i zasadowych, a więc pH ich roztworów będzie zależeć od względnej mocy tych dwóch gatunków. Dla takich rodzajów soli porównanie wartości K_a i K_b pozwala przewidzieć stan kwasowo-zasadowy roztworu.

Jonizacja uwodnionych jonów metali

W przeciwieństwie do jonów metali grupy 1 i 2 z poprzednich przykładów (Na⁺, Ca²⁺ itp.), Niektóre jony metali działają jako kwasy w roztworach wodnych. Jony te są nie tylko luźno solwatowane przez cząsteczki wody po rozpuszczeniu; Zamiast tego są kowalencyjnie wiązane z ustaloną liczbą cząsteczek wody, aby uzyskać złożony jon (patrz rozdział o chemii koordynacyjnej). Na przykład rozpuszczenie azotanu glinu w wodzie jest zwykle przedstawiane jako

Jednak jon glinu(III) w rzeczywistości reaguje z sześcioma cząsteczkami wody, tworząc stabilny jon złożony, a więc bardziej wyraźna reprezentacja procesu rozpuszczania jest

Jony Al(H,₂, O)₆, ³⁺ obejmują wiązania między centralnym atomem Al a atomami O sześciu cząsteczek wody. W związku z tym 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:

Sprzężona zasada wytworzona w tym procesie zawiera pięć innych związanych cząsteczek wody, które mogą działać jak kwasy, a więc sekwencyjny lub krokowy transfer protonów jest możliwy, jak pokazano 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 złożonych jonów zwykle wzrasta wraz ze wzrostem ładunku i zmniejszaniem się wielkości jonów metali. Równania jonizacji kwasowej pierwszego kroku dla kilku innych kwaśnych jonów metali przedstawiono poniżej:

Ten tekst jest zaadaptowany z Openstax, Chemia 2e, Sekcja 14.4: Hydroliza soli.

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.