Syre-Base Likevekter

Diprotic og Triprotic Syrer andBases

Diprotic Syrer

syre likevekt problemer diskutert så langt har fokusert på en familie av compoundsknown som monoprotic syrer. Hver av disse syrer har ett H+ – ion, orproton, det kan donere når det fungerer som en Brnsted syre. Saltsyre (HCl), aceticacid (CH3CO2H eller HOAc), salpetersyre (HNO3), og benzoicacid (C6H5CO2H) er alle monoprotic syrer.,

Flere viktige syrer kan bli klassifisert som polyprotic syrer, som kan losemore enn ett H+ – ion-når de opptrer som Brnsted syrer. Diprotic syrer som svovelsyre (H2SO4), syre, karbonsyre (H2CO3),hydrogensulfid (H2S), chromic syre (H2CrO4), og oxalicacid (H2C2O4) har to sure hydrogen atomer. Triproticacids, for eksempel fosforsyre (H3PO4) og sitronsyre (C6H8O7),har tre.

Det er vanligvis en stor forskjell i den enkle som disse syrer miste firstand andre (eller andre og tredje) protoner., Når svovelsyre er klassifisert som en strongacid, studenter ofte anta at den mister begge sine protoner når det reagerer med vann.Det er ikke en legitim forutsetning. Svovelsyre er en sterk syre fordi Kafor tap av den første proton er mye større enn 1. Vi vil derfor anta thatessentially alle H2SO4 molekyler i en vandig løsning miste thefirst proton å danne HSO4-, eller hydrogen sulfat, ion.,

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 bare mister både H+ – ioner når det reagerer med abase, slik som ammoniakk.

tabellen nedenfor gir verdier av Ka for noen vanlige polyprotic syrer.Den store forskjellen mellom verdiene av Ka for sekvensiell tap ofprotons av en polyprotic syre er viktig fordi det betyr at vi kan anta at disse acidsdissociate ett skritt av gangenanassumption kjent som trinnvis dissosiasjon.,

Syre-Dissosiasjon Likevekt Konstanter for Felles Polyprotic Syrer

La oss se på konsekvensen av antagelsen om at polyprotic syrer miste protoner onestep på en gang ved å undersøke kjemi av en mettet løsning av H2S inwater.

hydrogensulfid er illeluktende gass som gir råtne egg sine ubehagelig lukt.Det er en utmerket kilde til S2 – ion, imidlertid, og er derfor ofte brukte i innledende kjemi laboratorier. H2S er en svak syre thatdissociates i trinnene., Noen av H2S molekyler miste et proton i første stepto form HS-, eller hydrogensulfid, ion.

En liten brøkdel av HS – ioner som dannes i denne reaksjonen gå deretter til loseanother H+ – ion i det andre trinnet.,

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., Begrepet representerer den totale H3O+ ionconcentration fra begge trinn og derfor må ha samme verdi i begge likningene.På samme måte som begrepet, som representerer en balanse mellom de HS-ioner som dannes i første trinn og HS – ioner som forbrukes i det andre trinnet,må ha samme verdi for begge ligningene.

Fire ligninger er nødvendig for å løse for fire ukjente. Vi har allerede to ligninger:den Ka1 og Ka2 uttrykk. Vi kommer til å ha tofind enten to ligninger eller et par forutsetninger som kan generere to ligninger.,Vi kan basere en antakelse om at verdien av Ka1 for thisacid er nesten en million ganger større enn verdien av Ka2.

Ka1 >> Ka2

Dette betyr at bare en liten brøkdel av HS – ioner som dannes i firststep gå på å distansere i andre trinn. Hvis dette er sant, de fleste av H3O+ – ioner i løsningen, som kommer fra dissosiasjon av H2S, og de fleste av HS-ioner som dannes i denne reaksjonen PSS forblir i løsning. Som et resultat, kan vi anta at H3O+og HS – ion-konsentrasjoner er mer eller mindre lik.,

Vi trenger en mer ligningen, og derfor en mer forutsetning. Vær oppmerksom på at H2Sis en svak syre (Ka1 = 1.0 x 10-7, Ka2 = 1,3 x 10-13). Dermed kan vi anta at de fleste av H2S som oppløser inwater vil fortsatt være til stede når løsningen når likevekt. Med andre ord, vi canassume at likevekt konsentrasjon av H2S er tilnærmet lik theinitial konsentrasjon.,

We now have four equations in four unknowns.,

CH2S

Siden det er alltid en unik løsning til fire ligninger med fire ukjente, vi er nowready å beregne H3O+, H2S, HS-og S2-konsentrasjoner på likevekt i en mettet løsning av H2S i vann. Alle weneed å vite er at en mettet løsning av H2S i vann har en initialconcentration av om 0.10 M.,

Fordi Ka1 er så mye større enn Ka2 for thisacid, vi kan arbeide med likevekt uttrykk for første trinn uten worryingabout det andre trinnet for øyeblikket. Vi vil derfor starte med uttrykk for Ka1for denne syren.

Vi da bruke en av våre forutsetninger.

CH2S0,10 M

Erstatter dette tilnærming til Ka1 uttrykk gir thefollowing ligningen.

Vi deretter starter den andre forutsetningen.,

C

Erstatter dette tilnærming til Ka1 uttrykk gir thefollowing resultat.

Vi nå løse dette omtrentlige ligningen for C.

C1,0 x 10-4

Hvis våre to forutsetninger er gyldig, vi er tre fjerdedeler av veien til målet vårt. Vi knowthe H2S, H3O+, og HS – konsentrasjoner.

0,10 M

1.,0 x 10-4 M

etter å Ha pakket ut verdier av tre ukjente fra den første likevekt uttrykk, weturn til andre likevekt uttrykk.

Erstatter de kjente verdiene av H3O+ og HS – ionconcentrations i dette uttrykket gir følgende ligning.

Fordi likevekt konsentrasjonen av H3O+ og HS-ioner er mer eller mindre den samme, S2 – ion-konsentrasjon på likevekt isapproximately lik verdien av Ka2 for denne syren.

1.,3 x 10-13 M

Det er nå tid til å sjekke våre forutsetninger. Er dissosiasjon av H2S smallcompared med den første konsentrasjon? Ja. HS – og H3O+ – ion-konsentrasjoner hentet fra denne beregningen er 1,0 x 10-4 M,som er 0,1% av den opprinnelige konsentrasjonen av H2S. Følgende antakelse istherefore gyldig.

CH2S 0.,10 M

Er forskjellen mellom S2 – og HS – ion-concentrationslarge nok til å tillate oss å anta at nesten alle av H3O+ – ioner i likevekt er dannet i første trinn, og at nesten alle av HS-ioner som dannes i dette trinnet forblir i løsning? Ja. S2 – ion-concentrationobtained fra denne beregningen er 109 ganger mindre enn HS – ionconcentration. Dermed er vår andre antakelsen er også gyldig.

Vi kan derfor oppsummere konsentrasjoner av de ulike komponentene av thisequilibrium som følger.,

0,10 M

1,0 x 10-4 M

1,3 x 10-13 M

Diprotic Baser

De teknikker vi har brukt med diprotic syrer kan bli utvidet til å diprotic baser. Theonly utfordringen er å beregne verdiene av Kb for basen.

Fordi det er et salt, natriumkarbonat dissosierer i sin ioner når det oppløses inwater.,

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 fra Ka2and Kb2 fra Ka1.

Vi begynne ved å multiplisere toppen og bunnen av Ka1 uttrykk bythe OH – ion-konsentrasjon til å introdusere begrepet.

Vi da gruppen vilkårene i denne ligningen som følger.

Den første termen i denne ligningen er den inverse av den Kb2 uttrykk,og det andre leddet er det Kw uttrykk.

Omorganisere denne ligningen gir følgende resultat.,

Ka1Kb2 = Kw

på samme måte, vi kan multiplisere toppen og bunnen av Ka2 expressionby OH-ion-konsentrasjon.

Innhenting av vilkårene gir følgende ligning.

Den første termen i denne ligningen er den inverse av Kb1, og secondterm er Kw.

Denne ligningen kan derfor bli omorganisert som følger.

Ka2Kb1 = Kw

Vi kan nå beregne verdiene av Kb1 og Kb2 forthe karbonat-ion.,

Vi er endelig klare til å gjøre beregningene. Vi starter med Kb1expression fordi CO32 – ion er den sterkeste base i thissolution og derfor er den beste kilden til OH – ion.

forskjellen mellom Kb1 og Kb2 for thecarbonate ion er store nok til å foreslå at de fleste av OH – ioner kommer fromthis trinn, og de fleste av HCO3 – ioner som dannes i denne reaksjonen remainin løsning.,

C

verdien av Kb1 er liten nok til å anta at Cis liten sammenlignet med den opprinnelige konsentrasjonen av karbonat-ion. Hvis dette er sant,er konsentrasjonen av CO32 – ion ved likevekt vil være roughlyequal til den opprinnelige konsentrasjonen av Na2CO3.

CNa2CO3

Erstatter denne informasjonen til Kb1 uttrykk gir thefollowing resultat.

Denne omtrentlig ligningen kan nå 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.,

å Erstatte det vi vet om OH – og HCO3 – ionconcentrations inn i denne ligningen gir følgende resultat.

i Henhold til denne ligningen, H2CO3 konsentrasjon atequilibrium er tilnærmet lik Kb2 for karbonat-ion.

2,2 x 10-8 M

Oppsummerer resultatene av våre beregninger gir oss muligheten til å teste forutsetninger madegenerating disse resultatene.

0.,095 M

4,6 x 10-3 M

2,2 x 10-8 M

Alle av våre forutsetninger er gyldig. Omfanget av reaksjonen mellom CO32-ion og vann for å gi HCO3 – ion er mindre enn 5% av initialconcentration av Na2CO3. Dessuten, de fleste av OH – ioncomes fra første trinn, og de fleste av HCO3 – ion dannet i thisstep forblir i løsning.,

Triprotic Syrer

Vår teknikker for å arbeide diprotic syre eller diprotic base likevekt problemer kan beapplied å triprotic syrer og baser som godt. For å illustrere dette, kan vi beregne H3O+,H3PO4, H2PO4-, HPO42-og PO43 – konsentrasjoner på likevekt i en 0,10 M H3PO4solution, som Ka1 = 7.1 x 10-3, Ka2 =6,3 x 10-8, og Ka3 = 4,2 x 10-13.

La oss anta at denne syren distanserer av trinn og analysere den første stepthemost omfattende reaksjon.,

Vi nå anta at forskjellen mellom Ka1 og Ka2is store nok til at de fleste av H3O+ – ioner kommer fra denne første stepand de fleste av H2PO4 – ioner som dannes i dette trinnet forbli insolution.

C

Erstatter denne antakelsen i Ka1 uttrykk gir thefollowing ligningen.

Den forutsetning at er liten sammenlignet med den første konsentrasjon av syre mislykkes i dette problemet., Men wedon egentlig ikke trenger denne antakelsen fordi vi kan bruke den kvadratiske formelen eller successiveapproximations å løse ligningen. Uansett, vi får det samme svaret.

P= 0.023 M

Vi kan da bruke denne verdien til Cto få følgende informasjon.

0.10 – C0.077 M

0.023 M

Vi nå gå over til den nest sterkeste syre i denne løsningen.,

å Erstatte det vi vet om H3O+ og H2PO4-ion-konsentrasjoner i dette uttrykket gir følgende ligning.

Hvis våre forutsetninger så langt er riktig, HPO42 – ionconcentration i denne løsningen er lik Ka2.

6,3 x 10-8

Vi har bare en mer ligningen, likevekt uttrykk for den svakeste syre i thesolution.,

å Erstatte det vi vet om konsentrasjonen av H3O+og HPO42 – ioner inn i dette uttrykket gir følgende ligning.

Denne ligningen kan løses for fosfat-ion-konsentrasjon i likevekt.

1,2 x 10-18 M

Oppsummerer resultatene av beregningene hjelper oss med å kontrollere de forutsetninger som er gjort alongthe måte.

0.077 M

0.023 M

6.,3 x 10-8 M

1,2 x 10-18 M

Den eneste tilnærming som brukes i arbeidet med dette problemet ble antakelsen om at aciddissociates ett skritt av gangen. Er det forskjell mellom konsentrasjoner av H2PO4-og HPO42 – ioner stor nok til å rettferdiggjøre en forutsetning thatessentially alle av H3O+ ioner kommer fra første trinn? Ja. Besouøk stor nok til å rettferdiggjøre den forutsetning at nesten alle av H2PO4-dannet i første trinn forblir i løsning? Ja.,

Du kan aldri møte et eksempel på en polyprotic syre for whichthe forskjellen mellom etterfølgende verdier av Ka er for små til å tillate usto anta trinnvis dissosiasjon. Denne antakelsen fungerer selv når vi kan forvente det tofail.