Acid-Baza Echilibrelor

Diprotic și Triprotic Acizi andBases

Diprotic Acizi

acidul echilibru problemele discutate până acum s-au concentrat pe o familie de compoundsknown ca monoprotic acizi. Fiecare dintre acești acizi are un singur ion H+ sauproton, poate dona atunci când acționează ca un acid Brnsted. Acid clorhidric (HCl), aceticacid (CH3CO2H sau hoac ne), acid azotic (HNO3), și benzoicacid (C6H5CO2H) sunt toate monoprotic acizi.,mai mulți acizi importanți pot fi clasificați ca acizi poliprotici, care pot pierdemai mult de un ion H+ atunci când acționează ca acizi Brnsted. Diprotic acizi,cum ar fi acidul sulfuric (H2SO4), acid carbonic (H2CO3),hidrogen sulfurat (H2S), acid cromic (H2CrO4), și oxalicacid (H2C2O4) au două acide atomi de hidrogen. Triproticacidele,cum ar fi acidul fosforic (H3PO4) și acidul citric (C6H8O7), au trei.

există, de obicei, o mare diferență în ușurința cu care acești acizi pierd primulși al doilea (sau al doilea și al treilea) protoni., Când acidul sulfuric este clasificat ca fiind puternicacid, elevii presupun adesea că își pierde ambii protoni atunci când reacționează cu apa.Asta nu e o presupunere legitimă. Acidul Sulfuric este un acid puternic, deoarece Kapentru pierderea Primului proton este mult mai mare decât 1. Prin urmare, presupunem că, în esență, toate moleculele de H2SO4 dintr-o soluție apoasă pierd primul proton pentru a forma ionul HSO4-sau sulfat de hidrogen.,

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 doar își pierde ambii ioni H+ când reacționează cu înjosi, cum ar fi amoniacul.tabelul de mai jos prezintă valorile Ka pentru unii acizi poliprotici comuni.Diferența mare dintre valorile Ka pentru secvențială pierderea ofprotons de un polyprotic acid este important pentru că înseamnă că putem presupune că aceste acidsdissociate cu un pas la un moment datanassumption cunoscut sub numele de trepte de disociere.,să ne uităm la consecința presupunerii că acizii poliprotici pierd protoni unulpas la un moment dat prin examinarea chimiei unei soluții saturate de H2S înapă.

Hidrogen sulfurat este urat mirositoare gaz, care oferă ouă stricate lor miros neplăcut.Este o sursa excelenta de S2 – ion, cu toate acestea, și este, prin urmare, commonlyused în introductivă laboratoarele de chimie. H2S este un acid slab caredisociază în pași., Unele dintre moleculele H2S pierd un proton în primul paspentru a forma ionul HS-sau hidrogen sulfurat.

O mică parte din HS – ioni-a format în această reacție, apoi du-te pe la loseanother H+ ion într-un al doilea pas.,

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., Termenul reprezintă concentrația totală H3O + ion din ambele etape și, prin urmare, trebuie să aibă aceeași valoare în ambele ecuații.În mod similar, termenul, care reprezintă echilibrul dintre ionii HS formați în prima etapă și ionii HS consumați în a doua etapă,trebuie să aibă aceeași valoare pentru ambele ecuații.

patru ecuații sunt necesare pentru a rezolva pentru patru necunoscute. Avem deja două ecuații:expresiile Ka1 și Ka2. Va trebui să găsim două ecuații sau o pereche de ipoteze care pot genera două ecuații.,Putem baza o presupunere pe faptul că valoarea Ka1 pentru acest lucruacidul este de aproape un milion de ori mai mare decât valoarea Ka2.

Ac1 >> Ac2

Acest lucru înseamnă că doar o mică parte din HS – ioni formează în firststep du-te pe de a disocia în cel de-al doilea pas. Dacă acest lucru este adevărat, majoritatea ionilor H3O+din această soluție provin din disocierea H2S, iar majoritatea ionilor HS formați în această reacție PSS rămân în soluție. Ca rezultat, putem presupune că concentrațiile de ioni H3O+și HS sunt mai mult sau mai puțin egale.,

Avem nevoie de încă o ecuație, și, prin urmare, o mai adormirea maicii domnului. Rețineți că H2este un acid slab (Ka1 = 1,0 x 10-7, Ka2 = 1,3 x 10-13). Astfel, putem presupune că majoritatea H2-urilor care se dizolvă înapă va fi încă prezentă atunci când soluția ajunge la echilibru. Cu alte cuvinte, putem presupune că concentrația de echilibru a H2S este aproximativ egală cu concentrația inițială.,

We now have four equations in four unknowns.,

CH2S

Deoarece nu există întotdeauna o soluție unică pentru patru ecuații cu patru necunoscute, suntem nowready pentru a calcula H3O+, H2S, HS-, și S2-concentrațiile la echilibru într-o soluție saturată de H2S in apa. Tot ce trebuie să știm este că o soluție saturată de H2S în apă are o concentrație inițială de aproximativ 0,10 M.,

Pentru Ac1 este mult mai mare decât Ac2 pentru thisacid, putem lucra cu echilibru expresia pentru primul pas fără griji al doilea pas pentru moment. Prin urmare, începem cu expresia pentru Ka1pentru acest acid.

apoi invocăm una dintre ipotezele noastre.

CH2S0.10 M

Înlocuind această aproximare în Ka1 exprimare oferă următoarele ecuații.

apoi invocăm cealaltă ipoteză.,

C

Înlocuind această aproximare în Ka1 expresie dă următorul rezultat.

acum Vom rezolva această aproximativă a ecuației pentru C.

C1.0 x 10-4

în Cazul nostru două ipoteze sunt valabile, suntem trei sferturi din drumul spre scopul nostru. Cunoaștem concentrațiile de H2S, H3O+ și HS.

0.10 M

1.,0 x 10-4 m

după extragerea valorilor a trei necunoscute din prima expresie de echilibru, noitreceți la a doua expresie de echilibru.

Înlocuind valorile cunoscute ale H3O+ și HS – ionconcentrations în această expresie dă următoarea ecuație.

Pentru concentrațiile de echilibru ale H3O+ și HS-ionii sunt mai mult sau mai puțin la fel, S2 – ion concentrația la echilibru isapproximately egală cu valoarea de Ac2 pentru acest acid.

1.,3 x 10-13 m

acum este momentul să ne verificăm ipotezele. Este disocierea H2S micăcomparativ cu concentrația inițială? Da. Concentrațiile de ioni HS și H3O + obținute din acest calcul sunt de 1,0 x 10-4 M,ceea ce reprezintă 0,1% din concentrația inițială de H2S. următoarea ipoteză esteprin urmare, valabilă.

CH2S 0.,10 M

Este diferența între S2 și HS – ion concentrationslarge suficient pentru a ne permite să presupunem că, în esență, toate H3O+ioni la echilibru se formează în prima etapă și care, în esență, toate HS-ioni-a format în această etapă rămân în soluție? Da. Concentrația S2 – ion obținută din acest calcul este de 109 ori mai mică decât concentrația HS-Ion. Astfel, cealaltă presupunere a noastră este, de asemenea, valabilă.

prin urmare, putem rezuma concentrațiile diferitelor componente ale thisequilibrium după cum urmează.,

0.10 M

1.0 x 10-4 M

1.3 x 10-13 M

Diprotic Baze

tehnici am folosit cu diprotic acizi poate fi extins la diprotic baze. Singura provocare este calcularea valorilor Kb pentru bază.deoarece este o sare, carbonatul de sodiu se disociază în ionii săi atunci când se dizolvă înapă.,

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., Prin urmare, putem calcula Kb1 din Ka2și Kb2 din Ka1.începem prin înmulțirea vârfului și fundului expresiei Ka1 cuconcentrația Oh-ion pentru a introduce termenul.

apoi grupăm termenii în această ecuație după cum urmează.

primul termen din această ecuație este inversul expresiei KB2,iar al doilea termen este expresia Kw.

rearanjarea acestei ecuații dă următorul rezultat.,

Ka1Kb2 = Kw

în mod Similar, putem multiplica de sus și de jos a Ka2 expressionby OH-ion de concentrare.

Termeni de colectare oferă următoarea ecuație.

primul termen în această ecuație este inversul Kb1, și secondterm este Kw.

această ecuație poate fi, prin urmare, rearanjată după cum urmează.Ka2Kb1 = Kw

acum putem calcula valorile Kb1 și Kb2 pentru ionul carbonat.,

Suntem în sfârșit gata pentru a face calcule. Vom începe cu Kb1expression deoarece CO32 – ion este cea mai puternică bază în thissolution și, prin urmare, cea mai bună sursă de OH – ion.

diferența între Kb1 și Kb2 pentru thecarbonate ion este suficient de mare pentru a sugera că cele mai multe dintre ionii OH – vino orga-pas și cele mai multe dintre ionii HCO3 – au format în această reacție rămâne soluție.,

C

valoarea Kb1 este suficient de mic pentru a presupune că Csi mici în comparație cu concentrația inițială de ion carbonat. Dacă acest lucru este adevărat,concentrația de CO32 – ion la echilibru va fi duregală cu concentrația inițială de Na2CO3.

CNa2CO3

Înlocuind aceste informații în Kb1 expresie dă următorul rezultat.

această ecuație aproximativă poate fi rezolvată acum pentru 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.,

Înlocuind ceea ce știm despre OH – și HCO3 – ionconcentrations în această ecuație dă următorul rezultat.conform acestei ecuații, concentrația de H2CO3 laechilibrul este aproximativ egal cu Kb2 pentru ionul carbonat.

2,2 x 10-8 M

rezumarea rezultatelor calculelor noastre ne permite să testăm ipotezele făcutegenerând aceste rezultate.

0.,095 M

4.6 x 10-3 M

2.2 x 10-8 M

Toate ipotezele noastre sunt valabile. Gradul de reacție dintre CO32-ion și apă pentru a da ionul HCO3 este mai mic de 5% din concentrația inițială de Na2CO3. În plus, de cele mai multe OH – ioncomes de la primul pas, și cel mai de HCO3 – ion formate în thisstep rămâne în soluție.,

Triprotic Acizi

tehnicile Noastre de lucru diprotic sau acid diprotic bază probleme de echilibru poate beapplied să triprotic acizi și baze, precum și. Pentru a ilustra acest lucru, să se calculeze H3O+,H3PO4, H2PO4-, HPO42-,și PO43 – concentrațiile la echilibru într-o 0.10 M H3PO4solution, pentru care Ka1 = 7.1 x 10-3, Ac2 =6.3 x 10-8, și Ka3 = 4.2 x 10-13. să presupunem că acest acid disociază prin pași și analizează primul pasreacția cea mai extinsă.,acum presupunem că diferența dintre Ka1 și Ka2este suficient de mare încât majoritatea ionilor H3O+ provin din această primă etapă și majoritatea ionilor H2PO4 formați în această etapă rămân însoluție.

C

Înlocuind această ipoteză în Ka1 exprimare oferă următoarele ecuații.

presupunerea că este mic în comparație cu concentrația inițială a acidului eșuează în această problemă., Dar nu avem nevoie de această presupunere pentru că putem folosi formula pătratică sau approximațiile succesive pentru a rezolva ecuația. Oricum, obținem același răspuns.

C= 0.023 M

putem folosi apoi această valoare de Cto obține următoarele informații.

0.10 – C0.077 M

0.023 M

Ne întoarcem acum la al doilea cel mai puternic acid în această soluție.,

înlocuind ceea ce știm despre concentrațiile H3O+ și h2po4-ion în această expresie dă următoarea ecuație.dacă ipotezele noastre de până acum sunt corecte, concentrația HPO42 – ion în această soluție este egală cu Ka2.

6.3 x 10-8

avem o singură ecuație, expresia de echilibru pentru cel mai slab acid dinsoluție.,

Înlocuind ceea ce știm despre concentrațiile de H3O+și HPO42 – ioni în această expresie dă următoarea ecuație.

această ecuație poate fi rezolvată pentru concentrația de ioni fosfat la echilibru.

1.2 x 10-18 M

Rezumând rezultatele calculelor ne ajută să ne verifica ipotezele formulate alongthe mod.

0.077 M

0.023 M

6.,3 x 10-8 M

1.2 x 10-18 M

numai aproximare utilizate în lucrul această problemă a fost presupunerea că aciddissociates cu un pas la un moment dat. Este diferența dintre concentrațiile ionilor H2PO4 – și HPO42-suficient de mare pentru a justifica presupunerea căîn esență toți ionii H3O+ provin din primul pas? Da. Isit suficient de mare pentru a justifica presupunerea că, în esență, toate h2po4-format în prima etapă rămâne în soluție? Da.,

poate nu Vei mai întâlni un exemplu de polyprotic acid pentru care diferența dintre valorile succesive ale Ka sunt prea mici pentru a permite să-și asume trepte de disociere. Această presupunere funcționează chiar și atunci când ne-am putea aștepta să reușim.