15.12: Kwasy poliprotonowe

Kwasy są klasyfikowane według liczby protonów na cząsteczkę, które mogą oddać w reakcji. Kwasy takie jak HCl, HNO₃ i HCN, które zawierają jeden jonizowalny atom wodoru w każdej cząsteczce, nazywane są kwasami monoprotonowymi . Ich reakcje z wodą to:

Mimo że zawiera cztery atomy wodoru, kwas octowy,_CH3CO2H, jest również monoprotonowy, ponieważ tylko atom wodoru z grupy karboksylowej (COOH) reaguje z zasadami:

Podobnie zasady monoprotyczne to zasady, które zaakceptują pojedynczy proton.

Kwasy diprotonowe zawierają dwa jonizowalne atomy wodoru w cząsteczce; jonizacja takich kwasów zachodzi w dwóch etapach. Pierwsza jonizacja zachodzi zawsze w większym stopniu niż druga jonizacja. Na przykład kwas siarkowy, mocny kwas, jonizuje w następujący sposób:

Ten krokowy proces jonizacji zachodzi w przypadku wszystkich kwasów poliprotonowych. Kwas węglowy,_H2CO3, jest przykładem słabego kwasu diprotonowego. Pierwsza jonizacja kwasu węglowego daje jony hydroniowe i jony wodorowęglanowe w niewielkich ilościach.

Pierwsza jonizacja: H₂CO₃ (woda) + H₂O (l) ⇌ H₃O⁺ (woda) + HCO₃⁻ (woda)

Jon wodorowęglanowy może również działać jako kwas. Jonizuje i tworzy jony hydroniowe i jony węglanowe w jeszcze mniejszych ilościach.

Druga jonizacja: HCO₃⁻ (woda) + H₂O (l) ⇌ H₃O⁺ (woda) + CO₃²⁻ (woda)

K_H2CO3 jest większy niż K_HCO3− o współczynnik 10⁴, więc_H2CO₃ jest dominującym producentem jonów hydroniowych w roztworze. Oznacza to, że niewielka część HCO₃⁻ utworzonego przez jonizację_H2CO₃ jonizuje się, dając jony hydroniowe (i jony węglanowe), a stężenia_H3O⁺ i HCO₃⁻ są praktycznie równe w czystym roztworze wodnym_H2CO₃.

Jeżeli pierwsza stała jonizacji słabego kwasu diprotonowego jest większa od drugiej o współczynnik co najmniej 20, właściwe jest traktowanie pierwszej jonizacji oddzielnie i obliczanie stężeń wynikających z niej przed obliczeniem stężeń substancji wynikających z późniejszej jonizacji. Takie podejście zostało zademonstrowane w poniższym przykładowym ćwiczeniu.

Jonizacja kwasu diprotonowego

“Woda gazowana” zawiera smaczną ilość rozpuszczonego dwutlenku węgla. Roztwór jest kwaśny, ponieważ CO₂ reaguje z wodą, tworząc kwas węglowy, H₂CO₃ . Co to są [_H3O⁺], [HCO₃⁻] i [CO₃²⁻] w nasyconym roztworze CO₂ o początkowym [_H2CO₃] = 0,033?

Jak wskazują stałe jonizacji,_H2CO₃ jest znacznie silniejszym kwasem niż HCO₃⁻, więc krokowe reakcje jonizacji można traktować oddzielnie. Korzystając z dostarczonych informacji, przygotowuje się tabelę ICE dla tego pierwszego etapu jonizacji:

Podstawienie stężeń równowagowych do równania równowagi daje

Zakładając, że x << 0,033 i rozwiązując uproszczone równanie, otrzymujemy

W tabeli ICE określono x jako równą molowości jonów wodorowęglanowych i molowości jonów hydroniowych:

Korzystając z obliczonego powyżej stężenia jonów wodorowęglanowych, drugą jonizację poddaje się podobnym obliczeniom równowagi: HCO₃⁻ (woda) + H₂O (l) ⇌ H₃O⁺ (woda) + CO₃²⁻ (woda)

Podsumowując: w stanie równowagi [H₂CO₃] = 0,033 M; [H₃O⁺] = 1,2 × 10⁻⁴; [HCO₃⁻] = 1,2 × 10⁻⁴ M; i [CO₃²⁻] = 4,7 × 10⁻¹¹ M.

Kwas triprotonowy to kwas, który ma trzy jonizowalne atomy H. Kwas fosforowy jest jednym z przykładów:

Jeśli chodzi o przykłady kwasów diprotonowych, każda kolejna reakcja jonizacji jest mniej rozległa niż pierwsza, co znajduje odzwierciedlenie w malejących wartościach stopniowych stałych jonizacji kwasu. Jest to ogólna cecha kwasów poliprotonowych i kolejne stałe jonizacji często różnią się o współczynnik około 10⁵ do 10⁶.

Może się wydawać, że ten zestaw trzech reakcji dysocjacji komplikuje obliczenia stężeń równowagowych w roztworze_H3PO4. Ponieważ jednak kolejne stałe jonizacji różnią się od 10⁵ do 10⁶, duże różnice występują w niewielkich zmianach stężenia towarzyszących reakcjom jonizacji. Pozwala to na stosowanie założeń i procesów upraszczających matematykę, jak pokazano w powyższych przykładach. Zasady poliprototyczne są w stanie przyjąć więcej niż jeden jon wodorowy. Jon węglanowy jest przykładem zasady diprotycznej, ponieważ może przyjmować dwa protony, jak pokazano poniżej. Podobnie jak w przypadku kwasów poliprotonowych, należy pamiętać, że stałe jonizacji zmniejszają się wraz z etapem jonizacji. Podobnie, obliczenia równowagowe z uwzględnieniem zasad poliprotonowych opierają się na tych samych podejściach, co w przypadku kwasów poliprotonowych.

Ten tekst został zaadaptowany z Openstax, Chemia 2e, Sekcja 14.5: Kwasy poliprotyczne.