Полипротонные кислоты

Кислоты классифицируются по количеству протонов на молекулу, которые они могут отказаться в реакции. Кислоты, такие как HCl, HNО₃ и HCN, содержащие один ионуцируемый атом водорода в каждой молекуле, называются монопростическими кислотами. Их реакции с водой:

Монопростические кислоты: Реакции с водой

HCl (aq) + H2O (l) ⟶ H3O+ (aq) + Cl– (aq)

HNО3 (aq) + H2O (l) ⟶ H3O+ (aq) + NО3– (aq)

HCN (aq) + H2O (l) ⇌ H3O+ (aq) + CN– (aq)

Даже если он содержит четыре атома водорода, уксусная кислота, CH3CO2H, также является монопростическим, потому что только атом водорода из карбоксильной группы (COOH) реагирует с основаниями:

Аналогично, монопротические основания являются основаниями, которые принимают один протон.

Дипротические кислоты содержат два ионируемых атома водорода на молекулу; ионизация таких кислот происходит в два этапа. Первая ионизация всегда происходит в большей степени, чем вторая ионизация. Например, серная кислота, сильная кислота, ионизируется следующим образом:

	Дипротическая кислота: Серная кислота (H2SO4)
1-я ионизация	H2SO4 (aq) + H2O (l) ⇌ H3O+ (aq) + HSO4− (aq)	KA1 = более 102; полная диссоциация
2-я ионизация	HSO4– (aq) + H2O (l) ⇌ H3O+ (aq) + SO42– (aq)	KA2 = 1.2 × 10-2

Этот поэтапный процесс ионизации происходит для всех полипроптических кислот. Карбоновая кислота, H2CO₃, является примером слабой диметической кислоты. Первая ионизация карбоновой кислоты приводит к образованию ионов гидрония и ионов бикарбоната в небольших количествах.

Первая ионизация: H2CO₃ (aq) + H2O (l) ⇌ H3O⁺ (aq) + HCO₃^– (aq)

Бикарбонат-ион также может выступать в качестве кислоты. Он ионизирует и образует ионы гидрония и карбонатные ионы в еще меньших количествах.

Вторая ионизация: HCO₃^– (aq) + H2O (l) ⇌ H3O⁺ (aq) + CO3₂^– (aq)

KH2CO₃ больше, чем KHCO3_– в 104 раз, поэтому H2CO₃ является доминирующим производителем гидрония иона в раствор. Это означает, что при ионизации H2CO₃ происходит ионизация ионов гидрония (и ионов карбоната), а концентрации H3O⁺ и HCO₃ ^{практически} равны в чистом водном раствор растворе H2CO₃.

Если первая константа ионизации слабой диметической кислоты больше второй в 20 раз, то следует обработать первую ионизацию отдельно и рассчитать концентрации, полученные от нее, перед расчетом концентраций видов, полученных в результате последующей ионизации. Этот подход показан в следующем примере.

Ионизация дипротической кислоты

«Карбонированная вода» содержит приемлемо количество растворенного углекислого газа. раствор является кислотным, так как CO₂ реагирует с водой, образуя углекислую кислоту, H2CO₃. Что такое [H3O⁺], [HCO₃^–] и [CO3₂^–] в насыщенном раствор CO₂ с первоначальным [H2CO₃] = 0.033?

Как указывают константы ионизации, H2CO₃ является гораздо более сильной кислотой, чем HCO₃^, поэтому ступенчатую ионизационную реакцию можно обработать отдельно.используя предоставленную информацию, подготовлена таблица ICE для первого шага ионизации:

	H2CO3 (aq)	H3O+ (aq)	HCO3- (aq)
Начальная концентрация (M)	0.033	~0	0
Изменение (M)	x	+x.	+x.
Равновесная концентрация (M)	0.033 – x.	x	x

Подстановка равновесных концентраций в уравнение равновесия дает

Предположим, что x << 0.033 и решение упрощенного уравнения дает

Ледяной стол определил x как равный молярности иона бикарбоната и молярности иона-гидрония:

С помощью концентрации ионов бикарбоната, вычисленной выше, вторая ионизация подвергается аналогичному расчету равновесия: HCO₃^– (aq) + H2O (l) ⇌ H3O⁺ (aq) + CO3₂^– (aq)

Подведение итогов: При равновесии [H2CO₃] = 0.033 м; [H3O⁺] = 1.2 × 10^-4; [HCO₃^–] = 1.2 × 10^-4 м; и [CO3₂^–] = 4.7 × 10^-11 М.

Трипростическая кислота — это кислота, имеющая три атома H, которые можно ионизации. Фосфорная кислота является одним из примеров:

	Трипростическая кислота: Фосфорная кислота (H3PO4)
1-я ионизация	H3PO4 (aq) + H2O (l) ⇌ H3O+ (aq) + H2PO4– (aq)	KA1 = 7.5 × 10-3
2-я ионизация	H2PO4– (Aq) + H2O (l) ⇌ H3O+ (Aq) + HPO42– (Aq)	KA2 = 6.2 × 10-8
3-я ионизация	HPO42– (aq) + H2O (l) ⇌ H3O+ (aq) + PO43– (aq)	Ka3 = 4.2 × 10-13

Что касается примеров диметической кислоты, то каждая последовательная реакция ионизации менее обширна, чем первая, что отражается в уменьшении значений для констант ионизации поэтапной кислоты. Это общая характеристика полипроптических кислот и последовательных констант ионизации часто отличаются в коэффициенте от 105 до 106.

Этот набор из трех реакций диссоциации может усложнить расчеты равновесных концентраций в раствор H3PO₄. Однако, поскольку последовательные константы ионизации отличаются в коэффициенте от 105 до 106, существуют большие различия в небольших изменениях концентрации, сопровождающих ионизационные реакции. Это позволяет использовать математические предположения и процессы, как показано в примерах выше. Полипротические основания способны принимать более одного иона водорода. Карбонатный ион является примером дипротического основание, поскольку он может принимать два протона, как показано ниже. Как и в случае с полипростическими кислотами, обратите внимание, что константы ионизации уменьшаются с шагом ионизации. Аналогично, расчеты равновесия с использованием полипротических оснований следуют тем же подходам, что и для полипроптических кислот.

Этот текст адаптирован из Openstax, Chemistry 2e, раздел 14.5: Полибростические кислоты.