15.10: Ионы как кислоты и основания

Соли с кислотными ионами

Соли представляют собой ионные соединения, состоящие из катионов и анионов, которые могут проходить кислотную или ионизационную реакцию основание с водой. Поэтому водные солевые растворы могут быть кислотными, основными или нейтральными, в зависимости от относительных кислотно-основная-сильных сторон составляющих ионов соли. Например, растворение хлорида аммония в воде приводит к его диссоциации, как описано в уравнении:

Ион аммония — это конъюгатная кислота аммиака основание, NH₃; его кислотная ионизация (или гидролиз кислоты) — реакция

Так как аммиак является слабым основание, Kb можно измерить и Ka > 0 (ион аммония является слабой кислотой).

Хлорид-ион является конъюгатом основание соляной кислоты, и поэтому его реакция ионизации основание (или гидролиза основание) представлена

Поскольку ГХЛ является сильной кислотой, Ка неизмеримо крупнее и Кбайт ≈ 0 (ионы хлорида не подвергаются заметному гидролизу). Таким образом, растворение хлорида аммония в воде приводит к образованию раствор из слабых кислотных катионов (NH₄⁺) и инертных анионов (CL^-), что приводит к образованию кислого раствор.

Соли с основными ионами

В качестве другого примера рассмотрим растворение ацетата натрия в воде:

Натрий-ион не подвергается значительной кислоте или ионизации основание и не оказывает влияния на pH раствор. Это может показаться очевидным из формулы иона, которая указывает на отсутствие атомов водорода или кислорода, но некоторые ионы растворенного металла функционируют как слабые кислоты, о чем говорится далее в этом разделе. Ацетатный ион CH3CO₂ ^- это конъюгатный основание уксусной кислоты CH3CO2H, и поэтому его реакция ионизации основание (или гидролиза основание) представлена

Поскольку уксусная кислота является слабой кислотой, ее Ка измерима и Кбайт > 0 (ацетатный ион является слабым основание). Растворение ацетата натрия в воде приводит к образованию раствор инертных катионов (Na⁺) и слабых анионов основание (CH3CO₂^-), в результате чего получается основной раствор.

Соли с кислотными и основными ионами

Некоторые соли состоят из кислых и основных ионов, поэтому рН их растворов будет зависеть от относительной прочности этих двух видов. Для таких типов солей сравнение значений Ка и Кбайт позволяет прогнозировать состояние решения кислотно-основная.

Ионизация ионов гидратированного металла

В отличие от группы 1 и 2 ионов металлов предыдущих примеров (Na⁺, Ca2⁺ и др.), некоторые ионы металлов функционируют как кислоты в водных растворах. Эти ионы не просто разрешимости молекулами воды при растворении; вместо этого они ковалентно связаны с фиксированным количеством молекул воды, чтобы получить комплексный ион (см. главу о химии координации). Например, растворение нитрата алюминия в воде обычно представлено как

Тем не менее, ион алюминия(III) фактически вступает в реакцию с шестью молекулами воды, образуя стабильный сложный ион, и таким образом, более явное представление процесса растворения является

Ионы Al(H2O)63+ связаны между центральным атомом Al и атомами O шести молекул воды. Следовательно, связи O–H молекул связанной воды более полярны, чем в молекулах неукрепленной воды, что делает связанные молекулы более склонными к пожертвованию иона водорода:

Сопряженный основание, производимый этим процессом, содержит пять других связанных молекул воды, способных действовать в качестве кислот, и поэтому возможен последовательный или пошаговый перенос протонов, как показано ниже в нескольких уравнениях:

Помимо щелочных металлов (группа 1) и некоторых щелочных металлов (группа 2), большинство других ионов металлов будут подвергаться кислотной ионизации в некоторой степени при растворении в воде. Кислотная прочность этих комплексных ионов обычно увеличивается с увеличением заряда и уменьшением размера ионов металлов. Ниже приведены уравнения ионизации кислотной кислоты для нескольких других ионов кислотного металла:

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 14.4: Гидролиз солей.

Кислоты, основания и ионные соединения образуют анионы и катионы при растворении в воде. Анионы, которые являются сопряженными основаниями сильных кислот, например хлорид анион, образующийся при диссоциации соляной кислоты, слишком слабы, чтобы принимать протон из воды. Следовательно, ионы хлора имеют нейтральный pH;то есть они не являются ни кислотными, ни основными.

Напротив, анионы, образованные слабыми кислотами, такие как ацетат, сопряженное основание уксусной кислоты, действуют как слабое основание, поскольку они могут принимать протон из воды. Катионы, которые представляют собой сопряженную кислоту сильных оснований, например ионы натрия, образованные гидроксидом натрия, не могут принимать протоны и, следовательно, также имеют нейтральный pH. Напротив, катионы, образованные слабыми основаниями, такими как аммоний, сопряженная кислота аммиака, действуют как слабая кислота, поскольку они могут отдавать протоны воде.

Когда они ионизируются, соли могут образовывать кислотные и основные растворы, если они содержат сопряженную кислоту или сопряженное основание слабой кислоты или основания. Бромид аммония образует в воде ионы аммония и бромида. Ионы брома имеют нейтральный pH, тогда как ионы аммония действуют как слабая кислота, так как могут отдавать протоны.

Когда ацетат натрия растворяется в воде, ионы натрия не реагируют с водой;однако ацетат-ион может принимать протон, образуя щелочной раствор. Соли, содержащие катионы и анионы с нейтральным pH, образуют нейтральные растворы. Например, хлорид натрия при растворении в воде диссоциирует на ионы натрия и хлорид-ионы.

Поскольку оба эти иона не могут ни принимать, ни отдавать протоны, они образуют нейтральный раствор. Маленькие и сильно заряженные ионы металлов, такие как железо и алюминий также могут действовать как слабые кислоты после гидратации. Когда алюминий гидратирован, он действует как слабая кислота и переносит протоны из гидратирующих молекул воды к свободным молекулам воды, что приводит к образованию ионов гидроксония.

Чем меньше размер иона металла и чем больше на нем заряд, тем больше он склонен действовать как кислота. Например, Ka для Fe составляет 6, 3 10⁻³, тогда как Ka для Ni составляет 2, 5 10⁻¹¹.