5.6
Düzeyleme Etkisi ve Sulu Olmayan Asit-Baz Çözeltileri
Bu ders asidik ve bazik çözeltilerdeki düzeyleme etkisini ve bunun sulu ve sulu olmayan çözeltilerdeki rolünü tanımlar. Bir kimyasal sistemdeki çeşitl…
Bir asit-baz reaksiyonunda, çözücünün eşlenik bazından daha güçlü bir baz kullanıldığında, eşlenik bazı üretmek için çözücüyü protondan arındırır. Zamanla, baz tamamen tüketilir ve çözücüden daha zayıf olan herhangi bir asidin protondan arındırılması kullanılamaz hale gelir.
Benzer şekilde, çözücünün eşlenik asidinden daha güçlü bir asit kullanılırsa, daha fazla eşlenik asit üretmek için çözücüyü protonlar. Sonunda, çözücüden daha zayıf olan herhangi bir bazı protonlamak için asitlerin hiçbiri mevcut değildir.
Her iki durumda da çözücü, daha güçlü bazın veya daha güçlü asidin istenen bileşik ile reaksiyona girmesini önler. Bu, çözücünün tesviye etkisidir.
Başarılı bir asit-baz reaksiyonu için, seçilen çözücü reaksiyona girmeden reaksiyonu kolaylaştırmalıdır.
Bunu açıklamak için, sulu bir amid iyonu çözeltisi düşünün. Bir amid iyonu, suyun eşlenik bazından daha güçlü ve daha az kararlı olduğundan, suyu protondan arındırarak daha fazla hidroksit iyonunun oluşumunu destekler.
Sonuç olarak, çözelti çoğunlukla hidroksit iyonları ve az sayıda amid iyonu içerir. Suyun tesviye edici etkisi nedeniyle, amid iyonları tüketilir ve suyunkinden daha yüksek bir pK değerine sahip olan asetilen gibi bir bileşiğin protondan arındırılması için kullanılamazlar.
Asetilenden daha yüksek bir değere sahip pK olan amonyak gibi daha bazik bir çözücünün kullanıldığını varsayalım. Bu durumda, amid iyonları, çözücü amonyak yerine asetileni protondan uzaklaştıracak ve reaksiyon istendiği gibi ilerleyecek ve daha fazla asetilen eşlenik bazını üretecektir.
Özetlemek gerekirse, çözücünün asitliği, güçlü bazların gücünü dengeler; yani, kullanılan baz, çözücünün eşlenik bazından daha güçlü olamaz.
Benzer şekilde, çözücünün bazlığı, güçlü asitlerin gücünü dengeler, bu da kullanılan asidin, çözücünün eşlenik asidinden daha güçlü olamayacağı anlamına gelir.
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.