równowaga kwasowo-zasadowa

Diprotic i Triprotic Acids andBases

Diprotic Acids

omówione dotychczas problemy równowagi kwasowej skupiły się na rodzinie związków znanych jako kwasy monoprotic. Każdy z tych kwasów ma pojedynczy jon H+, orproton, może być oddawany, gdy działa jako kwas Brnsted. Kwas chlorowodorowy( HCl), aceticacid (CH3CO2H lub HOAc), kwas azotowy (HNO3) i benzoicacid (C6H5CO2H) są kwasy monoprotic.,

kilka ważnych kwasów można zaklasyfikować jako kwasy poliprotowe, które mogą stracić więcej niż jeden jon H+, gdy działają jako kwasy Brnsted. Kwasy diprotowe, takie jak kwas siarkowy (H2SO4),kwas węglowy (H2CO3), siarkowodór (H2S), kwas chromowy (h2cro4) i Szczawik (H2C2O4) mają dwa kwaśne atomy wodoru. Triprotykacydy, takie jak kwas fosforowy (H3PO4) i kwas cytrynowy (C6H8O7),mają trzy.

zwykle istnieje duża różnica w łatwości, z jaką kwasy te tracą pierwszy i drugi (lub drugi i trzeci) protony., Kiedy kwas siarkowy jest klasyfikowany jako strongacid, studenci często zakładają, że traci on oba protony, gdy reaguje z wodą.To nie jest uzasadnione założenie. Kwas siarkowy jest silnym kwasem, ponieważ utrata pierwszego protonu jest znacznie większa niż 1. Dlatego Zakładamy, że wszystkie cząsteczki H2SO4 w roztworze wodnym tracą pierwszy proton, tworząc jon HSO4 – lub siarkowodór.,

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 traci tylko oba jony H+, gdy reaguje z abazą, taką jak amoniak.

w poniższej tabeli podano wartości Ka dla niektórych popularnych kwasów poliprotowych.Duża różnica między wartościami Ka dla sekwencyjnej utraty protonów przez kwas poliprotowy jest ważna, ponieważ oznacza to, że możemy założyć, że te kwasydysocjują jeden krok na raz anasumption znany jako stopniowa dysocjacja.,

stałe równowagi kwasowo-dysocjacyjnej dla zwykłych kwasów Poliprotowych

przyjrzyjmy się następstwu założenia, że kwasy poliprotowe tracą protony na raz, badając chemię nasyconego roztworu H2S w wodzie.

siarkowodór jest cuchnącym gazem, który sprawia, że zgniłe jaja stają się nieprzyjemne odor.It jest jednak doskonałym źródłem jonu S2 i dlatego jest powszechnie stosowany w laboratoriach chemicznych. H2S jest słabym kwasem, któryzwiązuje się stopniowo., Niektóre cząsteczki H2S tracą proton w pierwszym etapie, tworząc jon HS-lub siarkowodór.

niewielka część jonów HS powstałych w tej reakcji przechodzi w drugi etap do utraty innego jonu H+.,

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., Termin reprezentuje całkowitą jonkoncentrację H3O+ z obu etapów i dlatego musi mieć taką samą wartość w obu równaniach.Podobnie, termin, który reprezentuje równowagę pomiędzy jonami HS utworzonymi w pierwszym etapie i jonami HS zużywanymi w drugim etapie, musi mieć taką samą wartość dla obu równań.

cztery równania są potrzebne do rozwiązania dla czterech niewiadomych. Mamy już dwa równania: wyrażenia Ka1 i Ka2. Będziemy musieli znaleźć albo dwa kolejne równania, albo parę założeń, które mogą wygenerować dwa równania.,Możemy oprzeć jedno założenie na fakcie, że wartość Ka1 dla tego pierwiastka jest prawie milion razy większa niż wartość Ka2.

Ka1>>Ka2

oznacza to, że tylko niewielka część jonów HS powstałych w pierwszym kroku ulega dysocjacji w drugim kroku. Jeśli to prawda, większość jonów H3O+w tym roztworze pochodzi z dysocjacji H2S, a większość jonów HS powstałych w tej reakcji PSS pozostaje w roztworze. W rezultacie możemy założyć, że stężenia jonów H3O+i HS są mniej więcej równe.,

potrzebujemy jeszcze jednego równania, a zatem jeszcze jednego założenia. Zauważ, że H2 jest słabym kwasem (Ka1 = 1,0 x 10-7, Ka2 = 1,3 x 10-13). W ten sposób możemy założyć, że większość H2S, który rozpuszcza się wwoda nadal będzie obecna, gdy roztwór osiągnie równowagę. Innymi słowy, możemy wnioskować, że stężenie równowagi H2S jest w przybliżeniu równe stężeniu początkowemu.,

We now have four equations in four unknowns.,

CH2S

ponieważ zawsze istnieje unikalne rozwiązanie czterech równań w czterech niewiadomych, jesteśmy teraz gotowi obliczyć stężenia H3O+, H2S, HS-i S2 w równowadze w nasyconym roztworze H2S w wodzie. Musimy tylko wiedzieć, że nasycony roztwór H2S w wodzie ma początkową koncentrację około 0,10 m.,

ponieważ Ka1 jest o wiele większy od Ka2 w tym przypadku, możemy pracować z wyrażeniem równowagi dla pierwszego kroku, nie martwiąc się na chwilę o drugi krok. Zaczynamy zatem od wyrażenia dla KA1 dla tego kwasu.

następnie wywołujemy jedno z naszych założeń.

CH2S 0.10 M

zastąpienie tego przybliżenia wyrażeniem Ka1 daje następujące równanie.

następnie wywołujemy inne założenie.,

C

zastąpienie tego przybliżenia wyrażeniem Ka1 daje następujący wynik.

rozwiązujemy teraz to przybliżone równanie dla C.

C1.0 x 10-4

jeśli nasze dwa założenia są słuszne, jesteśmy trzy czwarte drogi do naszego celu. Znamy stężenia H2S, H3O+ i HS.

0.10 M

1.,0 x 10-4 m

po wyodrębnieniu wartości trzech niewiadomych z pierwszego wyrażenia równowagi, mokrej do drugiego wyrażenia równowagi.

zastąpienie znanych wartości jonkoncentracji H3O+ i HS – daje następujące równanie.

ponieważ stężenia równowagi jonów H3O+ i HS są mniej więcej takie same, stężenie jonów S2 w równowadze jest maksymalnie równe wartości Ka2 dla tego kwasu.

1.,3 x 10-13 m

Czas sprawdzić nasze założenia. Czy dysocjacja H2S jest mała w porównaniu z początkowym stężeniem? Tak. Stężenia jonów HS – i H3O+uzyskane z tego obliczenia wynoszą 1,0 x 10-4 m,co stanowi 0,1% początkowego stężenia H2S.

CH2S 0.,10 M

czy różnica między koncentracjami jonów S2 i HS jest wystarczająco duża, aby pozwolić nam założyć, że zasadniczo wszystkie jony H3O+w równowadze powstają w pierwszym etapie i że zasadniczo wszystkie jony HS utworzone w tym etapie pozostają w roztworze? Tak. Koncentracja jonów S2 jest 109 razy mniejsza od jonkoncentracji HS. Tak więc, nasze inne założenie jest również ważne.

możemy zatem podsumować stężenia różnych składników tego leku w następujący sposób.,

0.10 M

1.0 x 10-4 m

1,3 x 10-13 m

Zasady diprotowe

techniki, które zastosowaliśmy z kwasami diprotowymi, można rozszerzyć na zasady diprotowe. Wyzwaniem jest obliczanie wartości Kb dla bazy.

ponieważ jest to sól, węglan sodu dysocjuje do swoich jonów, gdy rozpuszcza się w wodzie.,

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., Możemy zatem obliczyć Kb1 z KA2 i Kb2 z Ka1.

zaczynamy od pomnożenia górnej i dolnej części wyrażenia Ka1 przez stężenie jonów OH, aby wprowadzić termin.

następnie grupujemy terminy w tym równaniu w następujący sposób.

pierwszy termin w tym równaniu jest odwrotnością wyrażenia Kb2,a drugi terminem jest wyrażenie Kw.

zmiana tego równania daje następujący wynik.,

Ka1Kb2 = Kw

Podobnie możemy pomnożyć górną i dolną ekspresję Ka2 przez stężenie jonów OH.

zbiór terminów daje następujące równanie.

pierwszy termin w tym równaniu jest odwrotnością Kb1, a drugi to Kw.

równanie to można zatem przełożyć w następujący sposób.

Ka2Kb1 = Kw

możemy teraz obliczyć wartości Kb1 i Kb2 dla jonu węglanowego.,

jesteśmy w końcu gotowi do wykonania obliczeń. Zaczynamy od ekspresji KB1, ponieważ jon CO32 jest najsilniejszą bazą w tym roztworze, a zatem najlepszym źródłem jonu OH.

różnica pomiędzy Kb1 i KB2 dla jonów węglanowych jest na tyle duża, że sugeruje, że większość jonów OH pochodzi z tego etapu, a większość jonów HCO3 powstałych w tej reakcji pozostaje w roztworze.,

C

wartość Kb1 jest wystarczająco mała, aby założyć, że Cis jest mały w porównaniu z początkowym stężeniem jonu węglanu. Jeśli to prawda, stężenie jonu CO32 w równowadze będzie szorstko równe początkowemu stężeniu Na2CO3.

CNa2CO3

zastąpienie tej informacji wyrażeniem Kb1 daje wynik następujący.

to przybliżone równanie można teraz rozwiązać dla 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.,

zastąpienie tego, co wiemy o JONKONCENTRACJACH OH – i HCO3 – w tym równaniu daje następujący wynik.

zgodnie z tym równaniem, stężenie H2CO3 atekwilibrium jest w przybliżeniu równe Kb2 dla jonu węglanowego.

2,2 x 10-8 M

podsumowanie wyników naszych obliczeń pozwala na przetestowanie założeń wykonanych w oparciu o te wyniki.

0.,095 M

4.6 x 10-3 M

2.2 x 10-8 m

wszystkie nasze założenia są słuszne. Stopień reakcji pomiędzy Jonem CO32 a wodą w celu uzyskania jonu HCO3 jest mniejszy niż 5% początkowej koncentracji Na2CO3. Ponadto większość jonów OH-i z pierwszego etapu oraz większość jonów HCO3 powstałych w tym etapie pozostaje w roztworze.,

kwasy Triprotyczne

nasze techniki pracy kwasu diprotowego lub problemów równowagi Zasady diprotic można stosować również do kwasów triprotycznych i zasad. Aby to zilustrować, obliczmy stężenia H3O+,H3PO4, H2PO4-, HPO42-i PO43 – w równowadze W 0,10 m H3PO4solution, dla których Ka1 = 7,1 x 10-3, Ka2 =6,3 x 10-8 i Ka3 = 4,2 x 10-13.

Załóżmy, że kwas ten dysocjuje etapami i przeanalizujmy pierwszy etap reakcji.,

Zakładamy, że różnica między Ka1 i KA2 jest na tyle duża, że większość jonów H3O+ pochodzi z tego pierwszego etapu, a większość jonów H2PO4 powstałych w tym etapie pozostaje nierozdzielona.

C

Podstawienie tego założenia do wyrażenia Ka1 daje następujące równanie.

założenie, żejest małe w porównaniu z początkowym stężeniem kwasu nie udaje się w tym problemie., Ale tak naprawdę nie potrzebujemy tego założenia, ponieważ do rozwiązania równania możemy użyć wzoru kwadratowego lub następczego. Tak czy inaczej, otrzymujemy tę samą odpowiedź.

C= 0.023 M

możemy następnie użyć tej wartości C, aby uzyskać następujące informacje.

0.10 – C0.077 m

0.023 m

teraz przechodzimy do drugiego najsilniejszego kwasu w tym roztworze.,

zastąpienie tego, co wiemy o stężeniach jonów H3O+ i H2PO4 w to wyrażenie daje następujące równanie.

Jeśli nasze dotychczasowe założenia są poprawne, jonkoncentracja HPO42 w tym rozwiązaniu jest równa Ka2.

6.3 x 10-8

mamy jeszcze tylko jedno równanie, wyrażenie równowagi dla najsłabszego kwasu w roztworze.,

zastąpienie tego, co wiemy o stężeniach jonów H3O+i HPO42 – w to wyrażenie daje następujące równanie.

równanie to można rozwiązać dla stężenia jonów fosforanowych w równowadze.

1.2 x 10-18 M

podsumowanie wyników obliczeń pomaga nam sprawdzić założenia poczynione po drodze.

0.077 M

0.023 M

6.,3 x 10-8 m

1.2 x 10-18 m

jedynym przybliżeniem wykorzystywanym w pracy nad tym problemem było założenie, że kwas rozdziela się krok po kroku. Czy różnica między stężeniami jonów H2PO4 i HPO42 jest wystarczająco duża, aby uzasadnić założenie, że wszystkie jony H3O+ pochodzą z pierwszego etapu? Tak. Jest to wystarczająco duże, aby uzasadnić założenie, że zasadniczo wszystkie H2PO4-utworzone w pierwszym etapie pozostaje w rozwiązaniu? Tak.,

nigdy nie można spotkać przykładu kwasu poliprotowego, dla którego różnica między kolejnymi wartościami Ka jest zbyt mała, aby można było przyjąć stopniową dysocjację. To założenie działa nawet wtedy, gdy możemy się tego spodziewać.