acidobazické Rovnováhy

Diprotic a Triprotic Kyselin andBases

Diprotic Kyseliny

kyselina rovnováha problémy diskutovány byly dosud zaměřeny na rodinu compoundsknown jako monoprotic kyselin. Každá z těchto kyselin má jeden h + ion, neboproton, může darovat, když působí jako kyselina Brnstedová. Kyselina chlorovodíková (HCl), aceticacid (CH3CO2H nebo HOAc), kyselina dusičná (HNO3) a benzoikacid (C6H5CO2H) jsou všechny monoprotické kyseliny.,

několik důležitých kyselin lze klasifikovat jako polyprotické kyseliny, které mohou ztratit více než jeden h+ iont, pokud působí jako Brnstedové kyseliny. Diprotic kyselin,jako jsou kyselina sírová (H2SO4), kyselina uhličitá (H2CO3),sirovodík (H2S), kyselina chromová, kyselina (H2CrO4), a oxalicacid (H2C2O4) mají dvě kyselé atomy vodíku. Triprotikyseliny,jako je kyselina fosforečná (H3PO4) a kyselina citronová (C6H8O7), mají tři.

obvykle existuje velký rozdíl v snadnosti, s jakou tyto kyseliny ztrácejí prvnía druhý (nebo druhý a třetí) protony., Když je kyselina sírová klasifikována jako silnákyselina, studenti často předpokládají, že ztratí oba své protony, když reaguje s vodou.To není legitimní předpoklad. Kyselina sírová je silná kyselina, protože Kafor ztráta prvního protonu je mnohem větší než 1. Předpokládáme proto, že všechny molekuly H2SO4 ve vodném roztoku ztratí první proton za vzniku iontu HSO4-neboli síranu vodíku.,

But Ka for the loss of the second proton is only 10-2 andonly 10% of the H2SO4 molecules in a 1 M solution lose asecond proton.

H2SO4 pouze ztrácí oba ionty H+ při reakci s první, jako čpavek.

níže uvedená tabulka uvádí hodnoty Ka pro některé běžné polyprotické kyseliny.Velký rozdíl mezi hodnotami Ka pro sekvenční ztráta ofprotons o polyprotic kyseliny je důležité, protože to znamená, že můžeme předpokládat, že tyto acidsdissociate jeden krok v době,anassumption známý jako postupné disociace.,

Kyseliny-Disociace Rovnovážné Konstanty pro Běžné Polyprotic Kyseliny

Pojďme se podívat na důsledek předpokladu, že polyprotic kyselin ztratit protonů onestep v době, tím, že zkoumá chemie nasycený roztok H2S vvoda.

sirovodík je páchnoucí plyn, který dává shnilé vejce jejich nepříjemný zápach.To je vynikající zdroj S2 – ion, nicméně, a je proto commonlyused v úvodní chemie laboratoře. H2S je slabá kyselinaspojuje se v krocích., Některé molekuly H2S ztrácejí proton v prvním krokuvytvořit iont HS-nebo sirovodík.

malý zlomek HS – ionty tvoří v této reakci, pak jít na loseanother H+ iontů v druhém kroku.,

Since there are two steps in this reaction, we can write two equilibrium constantexpressions.

Although each of these equations contains three terms, there are only four unknowns,, , and becausethe and terms appear in both equations., Termín představuje celkovou H3O + ionkoncentraci z obou kroků, a proto musí mít v obou rovnicích stejnou hodnotu.Podobně, termín, který představuje rovnováhu mezi HS-ionty tvoří v prvním kroku a HS – ionty spotřebovány v druhém kroku,musí mít stejnou hodnotu pro obě rovnice.

čtyři rovnice jsou potřebné k vyřešení pro čtyři neznámé. Už máme dvě rovnice: výrazy Ka1 a Ka2. Budeme muset najít buď dvě rovnice, nebo pár předpokladů, které mohou generovat dvě rovnice.,Můžeme založit jeden předpoklad na skutečnosti, že hodnota Ka1 pro totokyselina je téměř milionkrát větší než hodnota Ka2.

Ka1 >> Ka2

To znamená, že pouze malý zlomek HS – ionty tvoří v firststep jít na separaci v druhém kroku. Pokud je to pravda, většina iontů H3O + v tomto roztoku pochází z disociace H2S a většina HS-iontů vytvořených v této reakci PSS zůstává v roztoku. V důsledku toho můžeme předpokládat, že koncentrace H3O+a HS – iontů jsou víceméně stejné.,

potřebujeme ještě jednu rovnici, a proto ještě jeden předpoklad. Všimněte si, že H2je slabá kyselina (Ka1 = 1,0 x 10-7, Ka2 = 1,3 x 10-13). Můžeme tedy předpokládat, že většina H2S, která se rozpouští vvoda bude stále přítomna, když roztok dosáhne rovnováhy. Jinými slovy, můžemepředpokládat, že rovnovážná koncentrace H2S je přibližně rovna počáteční koncentraci.,

We now have four equations in four unknowns.,

CH2S

Protože tam je vždy unikátní řešení čtyř rovnic o čtyřech neznámých, jsme nowready pro výpočet H3O+, H2S, HS-a S2-koncentrace na rovnováhu v nasycený roztok H2S ve vodě. Všichni bychom měli vědět, že nasycený roztok H2S ve vodě má počátečníkoncentrace asi 0,10 M.,

protože Ka1 je pro to mnohem větší než Ka2kyselina, můžeme pracovat s rovnovážným výrazem pro první krok bez obavo druhém kroku pro tuto chvíli. Začínáme tedy výrazem pro Ka1pro tuto kyselinu.

pak vyvoláme jeden z našich předpokladů.

CH2S0.10 M

Dosazením této aproximace do Ka1 výraz dává následující rovnice.

pak vyvoláme druhý předpoklad.,

c

nahrazení této aproximace výrazem Ka1 dává následující výsledek.

nyní Budeme řešit tyto přibližné rovnice pro C

C1,0 x 10-4

je-Li naše dva předpoklady jsou platné, jsme tři-čtvrtiny cestě k našemu cíli. Známe koncentrace H2S, H3O+ a HS.

0.10 M

1.,0 x 10-4 M

S extrahované hodnoty tří neznámých z prvního rovnováhy výraz, weturn do druhé rovnovážné výraz.

nahrazující známé hodnoty H3O + a HS-ionkoncentrací do tohoto výrazu dává následující rovnici.

Protože rovnovážná koncentrace H3O+ a HS-ionty jsou více či méně stejné, S2 – koncentrace iontů v rovnováze isapproximately rovná hodnotě Ka2 pro tuto kyselinu.

1.,3 x 10-13 M

nyní je čas zkontrolovat naše předpoklady. Je disociace H2S maláve srovnání s počáteční koncentrací? Ano. HS – a H3O+iontů koncentrace získané z tohoto výpočtu jsou 1,0 x 10-4 M,což je o 0,1% počáteční koncentrace H2S. Následující předpoklad prosazování platné.

CH2S 0.,10 M

Je rozdíl mezi S2 – a HS – ion concentrationslarge dost nám umožňují předpokládat, že v podstatě všechny H3O+iontů v rovnováze jsou vytvořeny v prvním kroku, a že v podstatě všechny HS-ionty tvoří v tomto kroku zůstane v roztoku? Ano. Koncentrace S2-iontuzískaná z tohoto výpočtu je 109krát menší než HS – ionkoncentrace. Platí tedy i náš další předpoklad.

můžeme tedy shrnout koncentrace různých složek tohoto kvilibria následovně.,

0.10 M

1,0 x 10-4 M

1,3 x 10-13 M

Diprotic Bází

techniky, které jsme použili s diprotic kyselin může být prodloužena na diprotic základny. Výzvou je pouze výpočet hodnot Kb pro základnu.

protože se jedná o sůl, uhličitan sodný se disociuje na své ionty, když se rozpouští vvoda.,

The carbonate ion then acts as a base toward water, picking up a pair of protons (oneat a time) to form the bicarbonate ion, HCO3- ion, and theneventually carbonic acid, H2CO3.,

The first step in solving this problem involves determining the values of Kb1and Kb2 for the carbonate ion. We start by comparing the Kbexpressions for the carbonate ion with the Ka expressions for carbonicacid.,

The expressions for Kb1 and Ka2 have something incommontheyboth depend on the concentrations of the HCO3- and CO32-ions. The expressions for Kb2 and Ka1 also havesomething in commontheyboth depend on the HCO3- and H2CO3concentrations., Můžeme tedy vypočítat Kb1 z Ka2and Kb2 z Ka1.

začneme vynásobením horní a dolní části výrazu Ka1 koncentrací OH-iontů pro zavedení termínu.

pak seskupíme pojmy v této rovnici takto.

první termín v této rovnici je inverzní výraz KB2 a druhým termínem je výraz Kw.

přeskupení této rovnice dává následující výsledek.,

Ka1Kb2 = Kw

podobně můžeme znásobit horní a dolní část výrazu Ka2 koncentrací OH-iontů.

sběr termínů dává následující rovnici.

první termín v této rovnici je inverzní Kb1 a druhý je Kw.

tato rovnice tedy může být přeskupena následovně.

Ka2Kb1 = Kw

nyní můžeme vypočítat hodnoty Kb1 a Kb2 pro lithný ion.,

jsme konečně připraveni provést výpočty. Začínáme s Kb1expresí, protože co32-ion je nejsilnější základnou v tomtoroztoku, a proto nejlepším zdrojem oh – ion.

rozdíl mezi Kb1 a Kb2 pro thecarbonate ion je dostatečně velký, aby naznačují, že většina z OH – ionty přijít fromthis krok a většina z HCO3 – ionty tvoří v této reakci remainin řešení.,

C

hodnota Kb1 je dost malý na to, aby se předpokládat, že Cis malé ve srovnání s počáteční koncentrace vápenatým iontů. Pokud je to pravda, koncentrace co32-iontu v rovnováze bude drsněrovnal se počáteční koncentraci Na2CO3.

CNa2CO3

nahrazením těchto informací do výrazu KB1 je výsledek následující.

tato přibližná rovnice může být nyní řešena pro C.,

C0.0046 M

We then use this value of Cto calculate the equilibrium concentrations of the OH-, HCO3-,and CO32- ions.

= 0.10 – C0.095M

C 0.0046 M

We now turn to the Kb2 expression.,

Nahradit to, co víme o OH – a HCO3 – ionconcentrations do této rovnice dává následující výsledek.

Podle této rovnice, koncentrace H2CO3 atequilibrium je přibližně rovna Kb2 pro lithný ion.

2.2 x 10-8 M

Shrnující výsledky našich výpočtů nám umožňuje testovat předpoklady madegenerating tyto výsledky.

0.,095 M

4,6 x 10-3 M

2.2 x 10-8 M

Všechny naše předpoklady jsou platné. Rozsah reakce mezi co32-iontem a vodou za vzniku HCO3-iontu je menší než 5% počátečníchkoncentrace Na2CO3. Navíc většina oh-iontomků z prvního kroku a většina HCO3 – iontů vytvořených v tomtokrok zůstává v roztoku.,

Triprotic Kyseliny

Naše techniky pro práci diprotic kyseliny nebo diprotic base rovnováhy, problémy mohou beapplied na triprotic kyselin a zásad, stejně. Pro ilustraci, pojďme vypočítat H3O+H3PO4, H2PO4-, HPO42-a PO43 – koncentrace na rovnováhu v 0.10 M H3PO4solution, pro které Ka1 = 7,1 x 10-3, Ka2 =6,3 x 10-8, a Ka3 = 4.2 x 10-13.

předpokládejme, že tato kyselina se disociuje podle kroků a analyzuje první krokvětšinou rozsáhlou reakci.,

nyní Budeme předpokládat, že rozdíl mezi Ka1 a Ka2is dostatečně velký, že většina H3O+ ionty pocházejí z první stepand většina H2PO4 – ionty tvoří v tomto kroku zůstávají insolution.

c

nahrazením tohoto předpokladu do výrazu Ka1 dává následující rovnici.

předpoklad, že je malý ve srovnání s počáteční koncentrací kyseliny selže v tomto problému., Ale my tento předpoklad opravdu nepotřebujeme, protože k vyřešení rovnice můžeme použít kvadratický vzorec nebo successiveapproximace. Ať tak či onak, dostaneme stejnou odpověď.

C= Materiálu 0,023 M

pak můžeme použít tuto hodnotu na Čtú získat následující informace.

0.10 – C0.077 M

materiálu 0,023 M

nyní se obrátit na druhou nejsilnější kyseliny v tomto roztoku.,

Nahradit to, co víme o H3O+ a H2PO4-ion koncentrace do tohoto výrazu dává následující rovnice.

pokud jsou naše dosavadní předpoklady správné, je hpo42-ionkoncentrace v tomto řešení rovna Ka2.

6,3 x 10-8

máme pouze jednu rovnici, rovnovážný výraz pro nejslabší kyselinu vřešení.,

Nahradit to, co víme o koncentrace H3O+a HPO42 – iontů do tohoto výrazu dává následující rovnice.

tato rovnice může být řešena pro koncentraci fosfátových iontů v rovnováze.

1,2 x 10-18 M

shrnutí výsledků výpočtů nám pomáhá kontrolovat předpoklady provedené dálcesta.

0.077 M

materiálu 0,023 M

6.,3 x 10-8 M

1,2 x 10-18 M

pouze aproximace používané v práci tento problém byl předpoklad, že aciddissociates jeden krok v době. Je rozdíl mezi koncentracemi iontů H2PO4 a HPO42 dostatečně velký, aby ospravedlnil předpoklad, že všechny ionty H3O+ pocházejí z prvního kroku? Ano. Je dostatečně velký, aby ospravedlnil předpoklad, že v podstatě všechny H2PO4 vytvořené v prvním kroku zůstávají v řešení? Ano.,

možná Budete nikdy setkat příklad polyprotic kyselinu, kdy rozdíl mezi po sobě jdoucí hodnoty Ka jsou příliš malé, aby usto předpokládat postupné disociace. Tento předpoklad funguje, i když bychom mohli očekávat, že tofail.