Кислотные и щелочные концентрации

Кислоты и основания

Аррениусовая кислота производит ионы водорода при растворении в воде:

HA + H₂O → H⁺_(aq) + A^-_(aq)

Здесь HA — недиссоциированная кислота, H⁺ — катион водорода, а A^- — сольватированный анион, называемый сопряженным основанием. Основание Аррениуса образует гидроксид-ионы при растворении в воде:

BOH + H₂O → B⁺_(aq) + OH^-_(aq)

Здесь BOH — это недиссоциированное основание, OH- — гидроксид-ион, а B⁺ — сольватированный катион, называемый сопряженной кислотой. Сопряженное основание образуется, когда кислота теряет ион водорода и обладает потенциалом для поглощения водорода. То же самое следует и для конъюгированной кислоты, которая образуется, когда основание теряет гидроксильную группу и имеет потенциал для ее восстановления. У каждой кислоты есть сопряженное основание, а у каждого основания есть сопряженная кислота.

pH

pH — это степень кислотности раствора, которая является мерой количества ионов водорода в растворе. Шкала pH логарифмическая и находится в диапазоне от 0 до 14; водные растворы с pH ниже 7 описываются как кислые, а водные растворы с pH выше 7 описываются как щелочные или основные. Нейтральными считаются растворы при рН 7.

pH раствора равен отрицательному логарифмическому основанию десять концентраций ионов водорода в растворе.

Вода сильно взаимодействует с ионом водорода, потому что ее сильный положительный заряд притягивает отрицательный полюс окружающих молекул воды. На самом деле, они взаимодействуют настолько сильно, что образуют ковалентную связь и катион H₃O⁺, называемый гидронием. Приведенное выше уравнение переписано, чтобы отразить это.

Для простоты мы будем говорить о концентрации ионов водорода вместо ионов гидроксония при обсуждении pH. Чем ниже значение pH раствора, тем больше в нем ионов водорода и, следовательно, тем более кислый раствор. Например, pH 1 мМ серной кислоты составляет 2,75, тогда как pH 1 мМ соляной кислоты составляет 3,01. Концентрация ионов водорода в растворе серной кислоты рассчитывается как 1 × ^10-2,75, тогда как концентрация ионов водорода в растворе соляной кислоты составляет 1 × ^10-3,01. Таким образом, в серной кислоте присутствует больше ионов водорода, и она более кислая. Помните, что несмотря на то, что pH двух растворов может отличаться всего на половину значения pH, из-за логарифмической природы шкалы pH количество водорода сильно варьируется.

Стойкость кислот и оснований

На прочность кислоты влияет электроотрицательность сопряженного основания и полярность кислотного водорода. Таким образом, прочность относится к тому, насколько легко катион водорода (H⁺) отделяется от аниона. Сильные кислоты и основания полностью диссоциируют в водных растворах, тогда как слабые кислоты и основания лишь частично диссоциируют на свои сопряженные ионы.

Константа диссоциации, K_a, представляет собой кислотную прочность. K_a рассчитывается с использованием концентраций недиссоциированной кислоты HA, а также концентраций катионов водорода и сопряженного основания A^-. Более высокие значения K_a представляют более сильные кислоты, в то время как меньшие значения K_a представляют более слабые кислоты.

K_a численно очень мала и часто обозначается в форме pK_a, которая является отрицательным логарифмическим основанием десять от K_a. Более низкие значения_{pK a} соответствуют более сильной кислоте, тогда как более высокие значения_{pK a} соответствуют более слабой кислоте.

Некоторые кислоты диссоциируют только один ион водорода и_, следовательно, имеют одно значение pK. Эти кислоты называются монопротными. Однако некоторые кислоты могут диссоциировать более одного иона водорода и называются полипротическими. Эти кислоты имеют pK_— значение для каждой диссоциации ионов водорода.

pK_a также может быть использован для расчета равновесного pH кислотно-основной реакции, как показано в уравнении Хендерсона-Хассельбальха.

Уравнение Хендерсона-Хассельбальха используется для вычисления pH, когда известны концентрации сопряженного основания и слабой кислоты, или для вычисления pK_a, если известны pH и концентрации.

Титрование

Кислотно-основные реакции количественно изучаются с помощью титрования. В эксперименте по титрованию раствор известной концентрации, называемый стандартным раствором, используется для определения концентрации другого раствора. Для кислотно-основного титрования стандартизированный раствор основания медленно добавляют к кислоте неизвестной концентрации (или добавляют кислоту к основанию). Кислотно-основная реакция представляет собой реакцию нейтрализации, в результате которой образуются соль и вода. Когда моли ионов водорода в кислоте равны молям гидроксильных ионов, добавленных из основания, раствор достигает нейтрального pH.

Для проведения кислотно-основного титрования стандартизированное основание медленно добавляется в колбу для перемешивания неизвестной кислоты с помощью бюретки, что позволяет измерять объем и добавлять основание по каплям. pH раствора тщательно контролируется на протяжении всего титрования с помощью индикатора pH, добавляемого в кислоту. Обычно используется фенолфталеин, так как раствор остается бесцветным до тех пор, пока не станет основным, приобретя светло-розовый цвет.

По мере приближения титрования к точке эквивалентности, когда моли ионов водорода равны молям добавленных гидроксильных ионов, индикатор pH временно меняет цвет из-за избытка гидроксильных ионов. Когда колба вращается, индикатор pH возвращается к кислотному цвету. Титрование завершено и достигло своей конечной точки, когда небольшой избыток гидроксильных ионов навсегда меняет индикатор на его основной цвет.

Кривая титрования представляет собой график зависимости pH раствора от объема добавленного стандартизированного основания. Точка эквивалентности находится в точке перегиба кривой и вычисляется как вторая производная кривой титрования.

Если кислота полипротическая, она будет иметь несколько точек эквивалентности, по одной для каждой диссоциации ионов водорода. pH на полпути к точке эквивалентности для монопротоновых кислот или между точками эквивалентности в случае полипротонных кислот равен pK_a кислоты.

Ссылки

1. Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). Химия и химическая реакционная способность. Бельмонт, Калифорния: Брукс/Коул, Cengage Learning.
2. Silberberg, M.S. (2009). Химия: молекулярная природа материи и изменения. Бостон, Массачусетс: Макгроу-Хилл.
3. Harris, D.C. (2015). Количественный химический анализ. Нью-Йорк, Нью-Йорк: W.H. Freeman and Company.

Аррениусовая кислота — это вещество, которое производит ионы водорода при растворении в воде, в то время как основание производит гидроксид-ионы. Ионы водорода немедленно вступают в реакцию с водой с образованием ионов гидроксония, но для простоты мы продолжим думать о них как об ионах водорода. В зависимости от количества ионов водорода или гидроксид-ионов в растворе, он считается кислым или основным.

Мы измеряем количество кислотности или основности с помощью pH, который рассчитывается как отрицательный логарифм концентрации ионов водорода. Таким образом, значения pH ниже 7 являются кислыми, а значения pH выше 7 — базовыми. pH 7 нейтральный.

Кислоты и основания также сравниваются на основе их концентрации, которая отличается от их pH. Прочность кислоты связана с тем, насколько легко ион водорода диссоциирует с анионом, называемым сопряженным основанием. Та же идея вытекает и для основания по отношению к гидроксид-иону и его сопряженной кислоте. Мы можем присвоить значение этой прочности, используя константу кислотной диссоциации, или K_a.

K_a определяется с использованием концентраций недиссоциированной кислоты и диссоциированных ионов водорода и сопряженного основания. Вы часто можете видеть, как это отношение представлено как pK_a, что является просто отрицательным логарифмом K_a. Чем меньше pK_a, тем сильнее кислота.

Некоторые кислоты, такие как соляная кислота, являются монопротными, что означает, что они могут диссоциировать только один ион водорода. Полипротонные кислоты, как и фосфорная кислота, могут диссоциировать несколько ионов водорода. Каждая диссоциация имеет свой собственный pK_a.

Итак, как мы можем определить pK_a? Одним из способов является проведение кислотно-щелочного титрования. Титрование выполняется путем медленного добавления раствора известной концентрации к раствору с неизвестной концентрацией при одновременном наблюдении за реакцией между ними. При этом кислота вступает в реакцию нейтрализации с основанием с образованием соли и воды.

Таким образом, если мы хотим измерить концентрацию ионов водорода в кислоте, мы можем просто титровать сильным основанием с известной концентрацией гидроксид-ионов до тех пор, пока кислота не будет нейтрализована. Чтобы точно выполнить титрование, основание должно быть стандартизировано, то есть вы должны знать точную концентрацию гидроксид-ионов. Это не всегда просто.

Например, NaOH, который вы будете использовать в своем эксперименте, очень гигроскопичен, то есть поглощает воду из атмосферы. Это происходит с NaOH как в твердом виде, так и в растворе. Таким образом, истинная концентрация раствора NaOH может быть ниже, чем можно было бы ожидать.

Чтобы определить точную концентрацию NaOH, мы должны сначала провести кислотно-щелочное титрование. Для этого необходимо с помощью основания титровать кислоту с известной концентрацией. Гидрофталат калия, ХП, является негигроскопичной кислотой, поэтому мы можем точно рассчитать его концентрацию по его массе.

Мы можем увидеть, когда титрование завершено, то есть кислота нейтрализована, с помощью индикатора pH, такого как фенолфталеин. Фенолфталеин нейтрален и бесцветен при температуре от pH 0 до pH 8.

По мере увеличения pH два иона водорода диссоциируют. Эта анионная форма розового цвета. Итак, когда мы начинаем титрование, раствор KHP кислый, а фенолфталеин бесцветный. По мере добавления NaOH и нейтрализации ионов водорода pH увеличивается.

В этой реакции раствор является нейтральным, если равное количество кислоты и основания было смешано вместе. После этого добавление еще немного NaOH делает pH базовым и раствор становится розовым. Это называется конечной точкой. Если мы знаем моли KHP и объем NaOH, используемого для его нейтрализации, мы можем рассчитать точную концентрацию основания.

Как только у нас есть стандартизированное основание, мы можем определить pK_a кислоты, титруя известную концентрацию кислоты с помощью нашего стандартизированного основания при мониторинге pH. График зависимости pH от объема добавленного основания называется кривой титрования. Кривая обычно имеет S-образную или сигмоидальную форму, где точка перегиба самой крутой части кривой обозначает точку эквивалентности.

При этом моли ионов гидроксида и диссоциированных ионов водорода равны. Как и в случае с pK_a, мы увидим одну точку эквивалентности для каждого диссоциированного иона водорода. Таким образом, монопротоновая кислота имеет только одну точку эквивалентности, а трипротоновая кислота — три.

Когда мы выполним титрование, мы будем знать, что прошли точку эквивалентности, когда показатель pH едва превращается из бесцветного в розовый. Это называется конечной точкой титрования. Например, когда мы стандартизируем основание, это когда раствор имеет небольшой избыток гидроксид-ионов и, таким образом, является слегка основным.

Еще одна точка перегиба на графике находится на полпути к точке эквивалентности. При этом концентрации диссоциированных и недиссоциированных кислот равны. Таким образом, pH в этой точке равен pK_a. Таким образом, если мы проведем титрование и определим объем точки эквивалентности, то мы можем рассчитать pK_a как pH при половине этого объема.

В этой лаборатории вы сначала стандартизируете основание, а затем проведете титрование с использованием этого стандартизированного основания, чтобы определить два pK_a полипротонной кислоты.