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:
Kwasy monoprotonowe: Reakcje z wodą |
HCl (aq) + H2O (l) ⟶ H3O+ (aq) + Cl− (aq) |
HNO3 (aq) + H2O (l) ⟶ H3O+ (aq) + NO3− (aq) |
HCN (aq) + H2O (l) ⇌ H3O+ (aq) + CN− (aq) |
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:
Kwas diprotonowy: Kwas siarkowy (H2SO4) | ||
1st jonizacja | H2SO4 (aq) + H2O (l) ⇌ H3O+ (aq) + HSO4− (aq) | Ka1 = więcej niż 102; całkowite rozdzielenie |
2nd jonizacja | HSO4− (aq) + H2O (l) ⇌ H3O+ (aq) + SO42− (aq) | Ka2 = 1,2 × 10−2 |
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)
KH2CO3 jest większy niż KHCO3− o współczynnik 104, więcH2CO3 jest dominującym producentem jonów hydroniowych w roztworze. Oznacza to, że niewielka część HCO3− utworzonego przez jonizacjęH2CO3 jonizuje się, dając jony hydroniowe (i jony węglanowe), a stężeniaH3O+ i HCO3− są praktycznie równe w czystym roztworze wodnymH2CO3.
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:
H2CO3 (aq) | H3O+ (aq) | HCO3− (aq) | |
Początkowe stężenie (M) | 0.033 | ~0 | 0 |
Zmień (M) | −x | +x | +x |
Stężenie równowagi (M) | 0,033 − x | x | x |
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:
Kwas triprotonowy: Kwas fosforowy (H3PO4) | ||
1st jonizacja | H3PO4 (aq) + H2O (l) ⇌ H3O+ (aq) + H2PO4− (aq) | Ka1 = 7,5 × 10−3 |
2nd jonizacja | H2PO4− (aq) + H2O (l) ⇌ H3O+ (aq) + HPO42− (aq) | Ka2 = 6,2 × 10−8 |
3rd jonizacja | HPO42− (aq) + H2O (l) ⇌ H3O+ (aq) + PO43− (aq) | Ka3 = 4,2 × 10−13 |
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 roztworzeH3PO4. 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.