Syre-Base Ravnoteže

Diprotic og Triprotic Syrer andBases

Diprotic Syrer

Den syre balance problemer, som er diskuteret hidtil har fokuseret på en familie af compoundsknown som monoprotic syrer. Hver af disse syrer har en enkelt H + ion, ellerproton, det kan donere, når det virker som en Brnsted syre. Saltsyre (HCl), aceticacid (CH3CO2H eller HOAc), salpetersyre (HNO3), og benzoicacid (C6H5CO2H) er alle monoprotic syrer.,

flere vigtige syrer kan klassificeres som polyprotiske syrer, som kan tabemere end en H+ ion, når de virker som Brnsted syrer. Diprotiske syrer, såsom svovlsyre (H2SO4), kulsyre (H2CO3),hydrogensulfid (H2S), chromsyre (H2CrO4) og O .alsyre (H2C2O4) har to sure hydrogenatomer. Triproticacider,såsom phosphorsyre (H3PO4) og citronsyre (C6H8O7), har tre.

Der er normalt en stor forskel i den lethed, hvormed disse syrer mister den førsteog anden (eller anden og tredje) protoner., Når svovlsyre er klassificeret som en stærksyre, antager eleverne ofte, at det mister begge protoner, når det reagerer med vand.Det er ikke en legitim antagelse. Svovlsyre er en stærk syre, fordi Kafor tabet af den første proton er meget større end 1. Vi antager derfor, at alle H2SO4-molekylerne i en vandig opløsning i det væsentlige mister den første proton til dannelse af hso4-eller hydrogensulfat-ionen.,

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 kun mister både H+ ioner, når det reagerer med abase, såsom ammoniak.

tabellen nedenfor giver værdier af Ka for nogle almindelige polyprotiske syrer.Den store forskel mellem værdierne af Ka til den sekventielle tab ofprotons af en polyprotic syre er vigtigt, fordi det betyder, at vi kan antage, at disse acidsdissociate et skridt ad gangenanassumption kendt som trinvis dissociation.,

Syre-Dissociation Ligevægt Konstanter for Fælles Polyprotic Syrer

Lad os se på konsekvensen af den antagelse, at polyprotic syrer mister protoner onestep på et tidspunkt ved at undersøge de kemiske forhold i en mættet opløsning af H2S inwater.

hydrogensulfid er den ildelugtende gas, der giver rådne æg deres ubehagelige lugt.Det er en glimrende kilde af S2 – ion, dog, og er derfor commonlyused i indledende kemi-laboratorier. H2S er en svag syre derforbinder i trin., Nogle af H2S-molekylerne mister en proton i det første trinat danne HS-eller hydrogensulfid-ion.

En lille brøkdel af HS – ioner dannet i denne reaktion, og derefter gå videre til loseanother H+ ion i et andet trin.,

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., Udtrykket repræsenterer den samlede H3O + ionkoncentration fra begge trin og skal derfor have samme værdi i begge ligninger.Tilsvarende skal udtrykket, der repræsenterer balancen mellem de HS-ioner,der dannes i det første trin, og de HS – ioner, der forbruges i det andet trin, have den samme værdi for begge ligninger.

fire ligninger er nødvendige for at løse for fire ukendte. Vi har allerede to ligninger:KA1 og Ka2 udtryk. Vi bliver nødt til atfinde enten to ligninger eller et par antagelser, der kan generere to ligninger.,Vi kan basere en antagelse på, at værdien af Ka1 for dettesyre er næsten en million gange større end værdien af Ka2.

Ka1 >> Ka2

Dette betyder, at kun en lille brøkdel af de HS – ioner, der dannes i firststep gå på at adskille, i det andet trin. Hvis dette er sandt, kommer de fleste af H3O+-ionerne i denne opløsning fra dissociationen af H2S, og de fleste af HS-ionerne dannet i denne reaktion PSS forbliver i opløsning. Som følge heraf kan vi antage, at H3O+og HS – ion koncentrationerne er mere eller mindre ens.,

Vi har brug for en mere ligning, og derfor endnu en antagelse. Bemærk at H2er en svag syre (Ka1 = 1,0.10-7, Ka2 = 1,3. 10-13). Således kan vi antage, at de fleste af de H2 ‘ er, der opløses ivand vil stadig være til stede, når opløsningen når ligevægt. Med andre ord kan vi antage, at ligevægtskoncentrationen af H2S er omtrent lig med denindledende koncentration.,

We now have four equations in four unknowns.,

CH2S

Da der er altid en unik løsning til fire ligninger med fire ubekendte, vi er nowready til at beregne H3O+, H2S, HS-og S2-koncentrationer i ligevægt i en mættet opløsning af H2S i vand. Alt, hvad vi skal vide, er, at en mættet opløsning af H2S i vand har en initialkoncentration på omkring 0,10 M.,

fordi Ka1 er så meget større end Ka2 for thisacid, kan vi arbejde med ligevægtsudtrykket for det første trin uden at bekymre os om det andet trin for øjeblikket. Vi starter derfor med udtrykket for Ka1for denne syre.

Vi påberåber os derefter en af vores antagelser.

CH2S0,10 M

at Erstatte denne tilnærmelse til Ka1 udtryk giver denfølgende ligning.

Vi påberåber os derefter den anden antagelse.,

C

at Erstatte denne tilnærmelse til Ka1 udtryk giver denfølgende resultat.

Vi har nu løse dette omtrentlige ligning for C

C1,0 x 10-4

Hvis vores to antagelser, der er gældende, vi er tre-fjerdedele af vejen til vores mål. Vi kender H2S, H3O+ og HS – koncentrationerne.

0,10 M

1.,0 10 10-4 m

efter at have ekstraheret værdierne af tre ukendte fra det første ligevægtsudtryk, vivende til det andet ligevægtsudtryk.

Ved at erstatte de kendte værdier af H3O+ og HS – IONCENTRERINGERNE i dette udtryk gives følgende ligning.

Fordi ligevægtskoncentrationerne af H3O+ og HS-ioner er mere eller mindre det samme, S2 – ion-koncentration ved ligevægt isapproximately svarende til værdien af Ka2 for denne syre.

1.,3 10-1 10-13 m

det er nu tid til at tjekke vores antagelser. Er dissociationen af H2S lillesammenlignet med den indledende koncentration? Ja. HS – og H3O + ionkoncentrationerne opnået ved denne beregning er 1,0 10 10-4 M,hvilket er 0,1% af den indledende koncentration af H2S. følgende antagelse er derfor gyldig.

CH2S 0.,10 M

Er forskellen mellem S2 – og HS – ion concentrationslarge nok til at tillade os at antage, at stort set alle af H3O+ – ioner ved ligevægt er dannet i de første skridt, og at stort set alle af HS-ioner, der dannes i dette trin forbliver i opløsning? Ja. Den S2-ionkoncentration, der opnås ved denne beregning, er 109 gange mindre end HS – ionkoncentrationen. Således er vores anden antagelse også gyldig.

Vi kan derfor opsummere koncentrationerne af de forskellige komponenter i dettebalance som følger.,

0,10 M

1,0 x 10-4 M

1.3 x 10-13 M

Diprotic Baser

De teknikker, vi har anvendt med diprotic syrer kan udvides til diprotic baser. Den eneste udfordring er at beregne værdierne for Kb for basen.

fordi det er et salt, dissocierer natriumcarbonat i dets ioner, når det opløses ivand.,

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., Vi kan derfor beregne Kb1 ud fra Ka2og KB2 ud fra Ka1.

Vi starter med at multiplicere toppen og bunden af Ka1 – udtrykket ved OH-ion-koncentrationen for at introducere udtrykket.

Vi grupperer derefter udtryk i denne ligning som følger.

det første udtryk i denne ligning er det omvendte af Kb2-udtrykket,og det andet udtryk er k. – udtrykket.

omarrangering af denne ligning giver følgende resultat.,

Ka1Kb2 = k.

På samme måde kan vi multiplicere toppen og bunden af Ka2-udtrykketved OH-ion-koncentrationen.

indsamling af udtryk giver følgende ligning.

det første udtryk i denne ligning er det omvendte af Kb1, og det andet udtryk er k..

denne ligning kan derfor omarrangeres som følger.

Ka2Kb1 = k.

Vi kan nu beregne værdierne for Kb1 og Kb2 for carbonation.,

Vi er endelig klar til at gøre beregningerne. Vi starter med Kb1ekspressionen, fordi CO32 – ion er den stærkeste base i detteløsning og derfor den bedste kilde til OH – ion.

forskellen mellem Kb1 og Kb2 for thecarbonate ion er stort nok til at foreslå, at de fleste af OH – ioner komme fromthis skridt, og de fleste af HCO3 – ioner dannet i denne reaktion remainin løsning.,

C

værdien af Kb1 er lille nok til at antage, at Cis lille sammenlignet med den oprindelige koncentration af carbonat-ion. Hvis dette er sandt,vil koncentrationen af CO32 – ionen ved ligevægt være groft lig med den oprindelige koncentration af Na2CO3.

CNa2CO3

at erstatte disse oplysninger i KB1-udtrykket giver det følgende resultat.

Denne omtrentlige ligning kan nu være løst for 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.,

at erstatte det, vi ved om OH – og HCO3 – ionkoncentrationerne i denne ligning, giver følgende resultat.

ifølge denne ligning er H2CO3-koncentrationen påligevægt er omtrent lig med Kb2 for carbonationen.

2,2 x 10-8 M

Sammenfatter resultaterne af vores beregninger giver os mulighed for at teste de antagelser, der madegenerating disse resultater.

0.,095 M

4.6 x 10-3 M

2,2 x 10-8 M

Alle vores antagelser er gældende. Omfanget af reaktionen mellem CO32-ion og vand for at give HCO3-ion er mindre end 5% af den oprindelige koncentration af Na2CO3. Desuden er det meste af OH-ioncomes fra det første trin, og det meste af HCO3 – ion dannet i thisstep forbliver i opløsning.,

Triprotiske syrer

vores teknikker til at arbejde diprotinsyre eller diprotisk base ligevægtsproblemer kan også anvendes på triprotinsyre og baser. For at illustrere dette, lad os beregne den H3O+,H3PO4, H2PO4-, HPO42-og PO43 – koncentrationer i ligevægt i et 0,10 M H3PO4solution, som Ka1 = 7.1 x 10-3, Ka2 =6,3 x 10-8, og Ka3 = 4,2 x 10-13.

lad os antage, at denne syre dissocierer ved trin og analyserer det første trinden mest omfattende reaktion.,

Vi nu antager, at forskellen mellem Ka1 og Ka2is stort nok til, at de fleste af H3O+ – ioner kommer fra denne første stepand de fleste af H2PO4 – ioner, der dannes i dette trin forblive insolution.

c

at erstatte denne antagelse i KA1-udtrykket giver følgende ligning.

antagelsen om, at er lille sammenlignet med den oprindelige koncentration af syren mislykkes i dette problem., Men vi har ikke rigtig brug for denne antagelse, fordi vi kan bruge den kvadratiske formel eller successiveapproximimations til at løse ligningen. Uanset hvad får vi det samme svar.

C= 0.023 m

Vi kan derefter bruge denne værdi af Cfor at få følgende information.

0.10 – C0.077 M

0.023 M

Vi har nu vende til den anden stærkeste syre i denne løsning.,

at Erstatte, hvad vi ved om H3O+ og H2PO4-ion-koncentrationer i dette udtryk giver følgende ligning.

Hvis vores antagelser hidtil er korrekte, er HPO42 – ionkoncentrationen i denne opløsning lig med Ka2.

6,3.10-8

Vi har kun endnu en ligning, ligevægtsudtrykket for den svageste syre iopløsning.,

at erstatte det, vi ved om koncentrationerne af H3O+og hpo42 – ionerne i dette udtryk, giver følgende ligning.

denne ligning kan løses for fosfationkoncentrationen ved ligevægt.

1.2.10-18 M

sammenfatning af resultaterne af beregningerne hjælper os med at kontrollere antagelserne undervejs.

0.077 M

0.023 M

6.,3 x 10-8 M

1,2 x 10-18 M

Den eneste tilnærmelse, der anvendes i arbejdet med dette problem var den antagelse, at aciddissociates et skridt ad gangen. Er forskellen mellem koncentrationerne af h2po4-og HPO42-ionerne stor nok til at retfærdiggøre antagelsen om, athovedsagelig alle H3O+ – ionerne kommer fra det første trin? Ja. Er det stort nok til at retfærdiggøre antagelsen om, at i det væsentlige alle de H2PO4-dannede i det første trin forbliver i opløsning? Ja.,

Du må aldrig støde på et eksempel på en polyprotinsyre, for hvilkenforskellen mellem successive værdier af Ka er for lille til at tillade osat antage trinvis dissociation. Denne antagelse virker, selv når vi kunne forvente det tilfejl.