15.12:

Kwasy poliprotonowe

JoVE Core
Chemia
Aby wyświetlić tę treść, wymagana jest subskrypcja JoVE.  Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
JoVE Core Chemia
Polyprotic Acids
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

27,610 Views

03:38 min
September 24, 2020

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:

Image1

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)

Eq1

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)

Eq2

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?

Eq3

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

Eq4

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

Eq5

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

Eq6

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

Eq7

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.

Eq8

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