Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

15.12: Полипротонные кислоты
СОДЕРЖАНИЕ

JoVE Core
Chemistry

A subscription to JoVE is required to view this content. You will only be able to see the first 20 seconds.

Education
Polyprotic Acids
 
ТРАНСКРИПТ

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:

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:

Image1

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)

Eq1

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)

Eq2

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?

Eq3

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

Eq4

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

Eq5

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

Eq6

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

Eq7

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.

Eq8

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

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter