5.6
Выравнивающий эффект и неводные кислотно-основные растворы
В этом уроке определяется эффект выравнивания в кислых и основных растворах и его роль в водных и неводных растворах. Очень важно понимать конкурирующ…
В кислотно-основной реакции, когда используется основание, более сильное, чем сопряженное основание растворителя, оно депротонирует растворитель с образованием сопряженного основания. Со временем основание полностью расходуется, что делает его недоступным для депротонирования любой кислоты, которая слабее растворителя.
Аналогичным образом, если используется кислота, более сильная, чем сопряженная кислота растворителя, она протонирует растворитель с образованием большего количества сопряженной кислоты. В конце концов, ни одна кислота не присутствует, чтобы протонировать какое-либо основание, которое слабее растворителя.
В обоих случаях растворитель предотвращает реакцию более сильного основания или более сильной кислоты с желаемым соединением. Это выравнивающий эффект растворителя.
Для успешной кислотно-основной реакции выбранный растворитель должен способствовать реакции, не вступая в реакцию.
Для иллюстрации рассмотрим водный раствор амид-ионов. Поскольку амидный ион сильнее и менее стабилен, чем сопряженное основание воды, он депротонирует воду, способствуя образованию большего количества гидроксид-ионов.
Следовательно, раствор содержит в основном гидроксид-ионы и небольшое количество амид-ионов. Из-за выравнивающего эффекта воды амидные ионы расходуются, и они недоступны для депротонирования такого соединения, как ацетилен, которое имеет значение pKвыше, чем у воды.
Предположим, что используется более основной растворитель, такой как аммиак, со значением pK выше, чем у ацетилена. В этом случае амидные ионы будут депротонировать ацетилен вместо растворителя аммиака, и реакция будет протекать желаемым образом, производя больше сопряженного основания ацетилена.
Подводя итог, можно сказать, что кислотность растворителя равняется прочности сильных оснований, то есть используемое основание не может быть прочнее сопряженного основания растворителя.
Точно так же основность растворителя нивелирует силу сильных кислот, а это означает, что используемая кислота не может быть сильнее сопряженной кислоты растворителя.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What is the leveling effect in acid-base chemistry?
The leveling effect occurs when a solvent prevents a strong acid or base from reacting with a desired compound. If a base stronger than the solvent's conjugate base is used, it deprotonates the solvent instead, consuming the base. Similarly, a strong acid protonates the solvent rather than the target base. The solvent essentially levels the strength of strong acids and bases, making them unavailable for the intended reaction.
Q2: Why does water prevent amide ions from deprotonating acetylene?
Amide ions are stronger bases than water's conjugate base, hydroxide ions. In aqueous solution, amide ions preferentially deprotonate water to form hydroxide ions, which are more stable. This consumes the amide ions, leaving them unavailable to deprotonate acetylene. Since acetylene has a higher pKa than water, the leveling effect of water prevents the desired acid-base reaction from occurring.
Q3: How does solvent choice affect the position of equilibrium in acid-base reactions?
Solvent selection determines whether an acid-base reaction proceeds as intended. The solvent's pKa must be positioned so it remains unreacted. For deprotonating acetylene with amide, ammonia (pKa 38) works better than water (pKa 15.7) because acetylene becomes the stronger acid. Choosing an appropriate solvent ensures the position of equilibrium in acid-base reactions favors product formation rather than solvent consumption.
Q4: What happens when a strong acid like perchloric acid is dissolved in water?
Perchloric acid protonates water molecules instead of weaker bases like morpholine. This produces hydronium ions, which are more stable than perchlorate ions. The equilibrium favors hydronium formation, consuming the acid and making it unavailable to protonate morpholine. Water's leveling effect on strong acids prevents the intended acid-base reaction from occurring.
Q5: Why is ammonia a better solvent than water for reacting amide with acetylene?
Ammonia has a pKa of 38, higher than acetylene's pKa of 25, making acetylene the stronger acid. In ammonia, amide ions deprotonate acetylene rather than the solvent, allowing the reaction to proceed. Water's lower pKa (15.7) causes amide to deprotonate water instead. Selecting a solvent with appropriate relative stability and degree of solvation ensures the desired reactants interact.
Q6: How does pKa determine whether a solvent will level acid or base strength?
A solvent's pKa value determines its acidity and basicity relative to reactants. If a base's conjugate acid has a lower pKa than the solvent, the base will deprotonate the solvent. If an acid's conjugate base has a higher pKa than the solvent, the acid will protonate the solvent. Understanding pKa and relative strengths allows chemists to predict and prevent unwanted leveling effects.
Q7: What conditions must a solvent satisfy to avoid the leveling effect?
A solvent must not be deprotonated by strong bases or protonated by strong acids before they react with the desired compound. The solvent's pKa should fall outside the range of the reactants' acid-base strengths. In water, only bases weaker than hydroxide and acids weaker than hydronium can be used effectively. Non-aqueous solvents with different pKa values expand the range of accessible acid-base reactions.