15.12: 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:

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:

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:

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:

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.

Монопротонные кислоты, такие как плавиковая кислота, содержат единственный ионизируемый протон. Напротив, полипротонные кислоты содержат два или более ионизируемых протона. Например, сернистая кислота имеет два ионизируемых протона, а фосфорная кислота три.

Полипротонная кислота последовательно теряет каждый из своих протонов, и каждая реакция имеет свою собственную Ka.Из нейтральной молекулы легче удалить протон, чем из отрицательно заряженной, потому что отрицательный заряд увеличивает прочность связи между протоном и анионом. Следовательно, для фосфорной кислоты Ка для удаления первого протона, Ka1, выше, чем для второго, Ka2, которая выше, чем Ka3. pH полипротонной кислоты можно оценить, используя только первую реакцию, если Ka1 по крайней мере в тысячу раз больше, чем ее последующие Ka.Например, pH 0, 050 М раствора аскорбиновой кислоты можно определить с помощью его Ka1 и таблицы концентраций.

При растворении в воде аскорбиновая кислота диссоциирует на ионы гидроксония и аскорбата. Ka1 для этой реакции равна 8 10⁻⁵, и она равна концентрации гидроксония, умноженной на концентрацию моноаниона аскорбата, деленную на концентрацию аскорбиновой кислоты. Для этой реакции может быть составлена таблица концентраций с начальной и равновесной концентрациями.

Из-за небольшого значения x 0, 050 минус x примерно равно 0, 050. Подставляя эти значения в выражение для Ka1, значение x равно 0, 0020 моль, что составляет всего 4%от начальной концентрации аскорбиновой кислоты. Таким образом, приближение верно.

pH раствора равен 2, 70. Концентрация дианиона аскорбата, образующегося на второй стадии реакции, также может быть рассчитана с использованием Ka2 и таблицы концентраций. Ka2 равен 1, 6 10⁻¹², и его можно выразить как концентрацию гидроксония, умноженную на концентрацию дианиона аскорбата, деленную на концентрацию моноаниона аскорбата.

Для этой реакции таблица концентраций заполняется начальной концентрацией моноаниона аскорбата и гидроксония из первой реакции, 0, 002 моль. Из-за небольшого значения x его можно не включать в равновесные концентрации моноаниона аскорбата и гидроксония. После подстановки этих значений в выражение Ka2 и решения x составляет 1, 6 10⁻¹² моль.

Поскольку x меньше 5%от 0, 002 моль, приближение действительно. Поскольку концентрация ионов гидроксония, которые были образованы во время второй стадии диссоциации аскорбиновой кислоты, незначительна, первый ионизируемый протон определяет pH раствора.