15.7: Растворы слабой кислоты

Лишь немногие соединения действуют как сильные кислоты. Гораздо большее количество соединений ведут себя как слабые кислоты и лишь частично реагируют с водой, оставляя большое количество растворенных молекул в их первоначальном виде и генерируя относительно небольшое количество ионов гидрония. Слабые кислоты обычно встречаются в природе, будучи веществами, частично ответственными за тангеный вкус цитрусовых, жжение укусов насекомых, а также неприятные запахи, связанные с запахом тела. Знакомым примером слабой кислоты является уксусная кислота, основной ингредиент уксуса:

Использование двойной стрелки в приведенном выше уравнении обозначает аспект частичной реакции этого процесса. При растворении в воде в обычных условиях в ионизированной форме присутствует только около 1% молекул уксусной кислоты CH3COO^.

Расчет концентрации ионов гидрония и pH слабой кислоты раствор

Формальная кислота, HCO2H, является одним раздражающим веществом, вызывающим реакцию организма на некоторые мутные укусы и стинги. Какова концентрация ионов гидрония и pH 0.534-M раствор формальной кислоты?

Таблица ICE для этой системы составляет

Подстановка равновесных терминов концентрации в выражение Ka дает

Относительно большая начальная концентрация и небольшая константа равновесия позволяют упростить предположение, что x будет значительно меньше 0.534, и таким образом уравнение становится

Решение уравнения для получения х урожаев

Чтобы проверить предположение, что x невелик по сравнению с 0.534, его относительную величину можно оценить:

Поскольку x меньше 5% от начальной концентрации, предположение верно. Как определено в таблице ЛЬДА, x равно равновесной концентрации гидрония иона:

Наконец, рассчитывается pH

Определение Ка от рН

PH 0.0516 M раствор закиси азота, HNО₂, составляет 2.34. Что такое Ка?

Концентрация закиси азота является формальной концентрацией, которая не учитывает никаких химических равновесий, которые могут быть установлены в раствор. Такие концентрации рассматриваются как “начальные” значения для расчетов равновесия с использованием таблицы ICE. Обратите внимание, что начальное значение иона гидрония указано как приблизительно нулевое, так как имеется небольшая концентрация H3O⁺ (1 × 10^-7 M) из-за автоматической ионизации воды. Во многих случаях эта концентрация намного меньше, чем та, которая образуется при ионизации указанной кислоты (или основание), и ее можно игнорировать.

Полученный pH является логарифмической мерой концентрации ионов гидрония, полученной в результате кислотной ионизации зационной кислоты, и таким образом представляет собой «равновесное» значение для ледяной таблицы:

В этом случае таблица ICE для этой системы составляет

Наконец, рассчитайте значение константы равновесия, используя данные в таблице:

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 4.2: Классификация химических реакций и Openstax, Химия 2е изд.,14.3 относительные сильные стороны кислот и оснований.

Слабая кислота, такая как синильная кислота, является кислотой Бренстеда, поскольку она отдает протон молекуле воды и образует ион гидроксония. Слабая кислота частично диссоциирует в воде в соответствии с ее константой кислотной диссоциации Ka, которая составляет 4, 9 10⁻¹⁰ для синильной кислоты. Для синильной кислоты Ka равен концентрации гидроксония, умноженной на концентрацию цианид-ионов, деленную на концентрацию синильной кислоты.

Константа кислотной диссоциации Ka может использоваться для определения концентрации иона гидроксония в слабом кислотном растворе и, следовательно, pH раствора. Концентрация ионов гидроксония и значение pH 0, 15 М раствора синильной кислоты могут быть рассчитаны с использованием его выражения равновесия и данных таблицы концентраций. Концентрации синильной кислоты, гидроксония и цианида в исходном состоянии и в состоянии равновесия могут быть выражены в таблице, которая показывает начальную, изменяющуюся и равновесную концентрации каждой из молекул.

Для достижения равновесия начальная концентрация исходных веществ уменьшается по мере того, как начальная концентрация продуктов увеличивается в соответствии с их молярными соотношениями. Это изменение концентрации исходных веществ и продуктов обозначается x. Подстановка равновесных концентраций в выражение для Ka дает x, умноженное на x, деленное на 0, 15 минус x.

Во многих слабых кислотах x, степень диссоциации, вероятно, будет очень маленькой по сравнению с начальной концентрацией 0, 15 моль на литр. 0, 15 минус x можно принять равным приблизительно 0, 15. При решении уравнения получаем x равно 8, 6 10⁻⁶ моль.

Приближение 0, 15 минус x, равное 0, 15, допустимо только в том случае, если x меньше 5%от 0, 15 моль. Здесь x составляет 0, 0057%от 0, 15 моль, и, следовательно, это приближение справедливо. Следовательно, концентрация гидроксония составляет 8, 6 10⁻⁶ моль.

Чтобы определить pH, возьмите отрицательный логарифм концентрации иона гидроксония. Решение этой проблемы показывает, что значение pH 0, 15 М раствора синильной кислоты составляет 5, 07. pH раствора можно использовать для определения Ka слабой кислоты.

Например, уксусная кислота частично диссоциирует на ионы гидроксония и ионы ацетата при растворении в воде. Ка для уксусной кислоты может быть выражено как концентрация иона гидроксония, умноженная на концентрацию ацетат-иона, деленная на концентрацию уксусной кислоты. Если pH у 0, 20 М раствора уксусной кислоты составляет 2, 72, можно вычислить его концентрацию гидроксония, которая составляет 1, 9 10⁻³ моль.

Таблица концентраций может быть построена на основе начальной и равновесной концентраций уксусной кислоты, ионов гидроксония и ацетат-ионов. Используя значащие цифры, 0, 20 минус 1, 9 10⁻³ по существу равно 0, 20. Подставляя значения равновесия в выражение Ka, получаем Ka равняется 1, 8 10⁻⁵.