syra-bas jämvikt

Diprotiska och Triprotiska syror ochbaser

Diprotiska syror

de syrajämviktsproblem som hittills diskuterats har fokuserat på en familj av compoundsknown som monoprotiska syror. Var och en av dessa syror har en enda h+ Jon, orproton, den kan donera när den fungerar som en Brnsted syra. Saltsyra (HCl), aceticacid (CH3CO2H eller HOAc), salpetersyra (HNO3), och benzoicacid (C6H5CO2H) är alla monoprotic syror.,

flera viktiga syror kan klassificeras som polyprotiska syror, vilket kan förloramer än en h+ Jon när de fungerar som Brnsted syror. Diprotiska syror, såsom svavelsyra (H2SO4), kolsyra (H2CO3),vätesulfid (H2S), kromsyra (H2CrO4) och oxalikacid (h2c2o4) har två sura väteatomer. Triproticacider,såsom fosforsyra (H3PO4) och citronsyra (C6H8O7), har tre.

det finns vanligtvis en stor skillnad i den lätthet med vilken dessa syror förlorar firstand andra (eller andra och tredje) protoner., När svavelsyra klassificeras som en starksyra, studenter antar ofta att det förlorar båda sina protoner när det reagerar med vatten.Det är inte ett legitimt antagande. Svavelsyra är en stark syra eftersom Kafor förlusten av den första proton är mycket större än 1. Vi antar därför att väsentligen alla H2SO4-molekyler i en vattenhaltig lösning förlorar denförsta proton för att bilda hso4-, eller vätesulfat, Jon.,

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 förlorar bara båda h+ jonerna när den reagerar med abase, såsom ammoniak.

tabellen nedan ger värden för Ka för vissa vanliga polyprotiska syror.Den stora skillnaden mellan värdena av Ka för avbrottsskador ofprotons av en polyprotic syra är viktigt eftersom det innebär att vi kan anta att dessa acidsdissociate ett steg i tagetanassumption känd som stegvis dissociation.,

syra-dissociation jämvikts konstanter för vanliga Polyprotiska syror

låt oss titta på konsekvensen av antagandet att polyprotiska syror förlorar protoner onestep i taget genom att undersöka kemin av en mättad lösning av H2S ivatten.

vätesulfid är den illaluktande gas som ger ruttna ägg deras obehagliga odor.It är dock en utmärkt källa till S2-Jonen och är därför vanligtanvänds i inledande kemilaboratorier. H2S är en svag syra somdissocierar i steg., Några av H2S-molekylerna förlorar en proton i det första stegetför att bilda HS – eller vätesulfid, Jon.

en liten del av de hs-joner som bildas i denna reaktion fortsätter sedan till loseanother h + ion i ett andra steg.,

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., Termen representerar den totala H3O + jonkoncentrationen från båda stegen och måste därför ha samma värde i båda ekvationerna.På samma sätt måste termen, som representerar balansen mellan de HS-joner som bildas i det första steget och de HS – joner som konsumeras i det andra steget,ha samma värde för båda ekvationerna.

fyra ekvationer behövs för att lösa för fyra okända. Vi har redan två ekvationer:KA1 och Ka2 uttryck. Vi kommer att behöva hitta antingen ytterligare två ekvationer eller ett par antaganden som kan generera två ekvationer.,Vi kan basera ett antagande på det faktum att värdet av Ka1 för dettasyra är nästan en miljon gånger större än värdet av Ka2.

Ka1>> Ka2

det betyder att endast en liten del av de HS – joner som bildas i den förstastegen fortsätter att dissociera i det andra steget. Om detta är sant kommer de flesta av H3O + -jonerna i denna lösning från dissociationen av H2S, och de flesta HS-jonerna som bildas i denna reaktion PSS förblir i lösning. Som ett resultat kan vi anta att H3O + – och hs-jonkoncentrationerna är mer eller mindre lika.,

vi behöver ytterligare en ekvation, och därför ytterligare ett antagande. Observera att H2Sis en svag syra (Ka1 = 1,0 x 10-7, Ka2 = 1,3 x 10-13). Således kan vi anta att de flesta av H2S som löser uppvatten kommer fortfarande att vara närvarande när lösningen når jämvikt. Med andra ord kan vi anta att jämviktskoncentrationen av H2S är ungefär lika med deninitiella koncentrationen.,

We now have four equations in four unknowns.,

CH2S

eftersom det alltid finns en unik lösning på fyra ekvationer i fyra okända, vi är nuredo att beräkna H3O+, H2S, HS-och S2-koncentrationerna vid jämvikt i en mättad lösning av H2S i vatten. Allt vibehöver veta är att en mättad lösning av H2S i vatten har en initialkoncentration på ca 0,10 M.,

eftersom Ka1 är så mycket större än Ka2 för dettasyra, kan vi arbeta med jämviktsuttrycket för det första steget utan att oroa oss för det andra steget för tillfället. Vi börjar därför med uttrycket för Ka1för denna syra.

vi åberopar sedan en av våra antaganden.

CH2S0,10 m

genom att ersätta denna approximation i KA1-uttrycket ger följande ekvation.

vi åberopar sedan det andra antagandet.,

c

att ersätta denna approximation i KA1-uttrycket ger följande resultat.

Vi löser nu den här ungefärliga ekvationen förC.

C1.0 x 10-4

om våra två antaganden är giltiga är vi tre fjärdedelar av våra antaganden.vägen till vårt mål. Vi vet H2S, H3O+ och hs – koncentrationer.

0,10 m

1.,0 x 10-4 m

Efter att ha extraherat värdena för tre okända från det första jämviktsuttrycket, weturn till det andra jämviktsuttrycket.

att ersätta de kända värdena för H3O+ och HS – ionconcentraler i detta uttryck ger följande ekvation.

eftersom jämviktskoncentrationerna av H3O+ och HS-jonerna är mer eller mindre desamma är S2 – jonkoncentrationen vid jämvikt ungefär lika med värdet av Ka2 för denna syra.

1.,3 x 10-13 m

det är nu dags att kontrollera våra antaganden. Är dissociationen av H2S litenjämfört med den ursprungliga koncentrationen? Ja. De HS-och H3O+ – jonkoncentrationer som erhålls från denna beräkning är 1,0 x 10-4 m, vilket är 0,1% av den ursprungliga koncentrationen av H2S. följande antagande är därför giltigt.

CH2S 0.,10 m

är skillnaden mellan S2 – och HS-jonkoncentrationernastor nog att tillåta oss att anta att i huvudsak alla H3O + joner vid jämvikt bildas i det första steget och att i huvudsak alla HS-joner som bildas i detta steg förblir i lösning? Ja. S2-Jon-koncentrationenavsedd från denna beräkning är 109 gånger mindre än HS – jonkoncentrationen. Således är vårt andra antagande också giltigt.

Vi kan därför sammanfatta koncentrationerna av de olika komponenterna i dettajämvikt enligt följande.,

0,10 m

1,0 x 10-4 m

1,3 x 10-13 m

diprotiska baser

de tekniker vi har använt med diprotiska syror kan utökas till diprotiska baser. Theonly challenge beräknar värdena för Kb för basen.

eftersom det är ett salt dissocierar natriumkarbonat in i dess joner när det löses upp ivatten.,

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 därför beräkna Kb1 från Ka2and Kb2 från Ka1.

vi börjar med att multiplicera toppen och botten av KA1 – uttrycket av OH-ion-koncentrationen för att introducera termen.

vi grupperar sedan termer i denna ekvation enligt följande.

den första termen i denna ekvation är inversen av KB2-uttrycket,och den andra termen är Kw-uttrycket.

omarrangering av denna ekvation ger följande resultat.,

Ka1Kb2 = Kw

På samma sätt kan vi multiplicera toppen och botten av KA2-uttrycketgenom OH-ion-koncentrationen.

samla termer ger följande ekvation.

den första termen i denna ekvation är inversen av Kb1, och den andra är Kw.

denna ekvation kan därför ordnas på följande sätt.

Ka2Kb1 = Kw

Vi kan nu beräkna värdena för KB1 och Kb2 förkarbonatjon.,

Vi är äntligen redo att göra beräkningarna. Vi börjar med Kb1expression eftersom CO32-ion är den starkaste basen i dettalösning och därför den bästa källan till OH – ion.

skillnaden mellan KB1 och Kb2 för karbonatjon är tillräckligt stor för att föreslå att de flesta av OH – jonerna kommer frånDetta steg och de flesta av de HCO3 – joner som bildas i denna reaktion förblir i lösningen.,

c

värdet av KB1 är tillräckligt liten för att anta att Cis liten jämfört med den ursprungliga koncentrationen av karbonatjon. Om detta är sant kommer koncentrationen av CO32-Jonen vid jämvikt att vara grovt likvärdig med den ursprungliga koncentrationen av Na2CO3.

CNa2CO3

att ersätta denna information i KB1-uttrycket ger följande resultat.

denna ungefärliga ekvation kan nu lösas förC.,

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.,

att ersätta det vi vet om OH – och HCO3 – jonkoncentrationerna i denna ekvation ger följande resultat.

enligt denna ekvation är H2CO3-koncentrationen atequilibrium ungefär lika med Kb2 för karbonatjon.

2.2 x 10-8 m

genom att sammanfatta resultaten av våra beräkningar kan vi testa de antaganden som gjorts.

0.,095 m

4,6 x 10-3 m

2,2 x 10-8 m

alla våra antaganden är giltiga. Reaktionens omfattning mellan KO32-Jonen och vattnet för att ge HCO3 – jonen är mindre än 5% av initialkoncentrationen av Na2CO3. Dessutom är det mesta av OH – ioncomes från det första steget, och det mesta av HCO3 – jonen som bildas i dettasteg förblir i lösning.,

Triprotiska syror

våra tekniker för att arbeta diprotic syra eller diprotic base equilibrium problem kan tillämpas på triprotic syror och baser samt. För att illustrera detta, låt oss beräkna H3O+, H3PO4, H2PO4-, HPO42-och PO43 – koncentrationer vid jämvikt i en 0,10 M H3PO4solution, för vilken Ka1 = 7,1 x 10-3, Ka2 =6,3 x 10-8 och Ka3 = 4,2 x 10-13.

låt oss anta att denna syra dissocierar stegvis och analysera det första stegetmest omfattande reaktion.,

vi antar nu att skillnaden mellan Ka1 och Ka2är tillräckligt stor för att de flesta av H3O+ – jonerna kommer från detta första stegoch de flesta H2PO4-jonerna som bildas i detta steg förblir upplösning.

c

att ersätta detta antagande i KA1-uttrycket ger följande ekvation.

antagandet attär liten jämfört med den ursprungliga koncentrationen av syran misslyckas i detta problem., Men wedon behöver inte detta antagande eftersom vi kan använda den kvadratiska formeln eller successiveapproximationer för att lösa ekvationen. Hur som helst får vi samma svar.

C= 0,023 m

Vi kan sedan använda detta värde avcför att få följande information.

0,10 – C0,077 m

0,023 m

vi vänder oss nu till den näst starkaste syran i denna lösning.,

att ersätta det vi vet om H3O+-och H2PO4-jonkoncentrationerna i detta uttryck ger följande ekvation.

om våra antaganden hittills är korrekta är hpo42 – jonkoncentrationen i denna lösning lika med Ka2.

6,3 x 10-8

Vi har bara en ekvation, jämviktsuttrycket för den svagaste syran ilösning.,

att ersätta det vi vet om koncentrationerna av H3O+ – och HPO42-jonerna i detta uttryck ger följande ekvation.

denna ekvation kan lösas för fosfatjonkoncentrationen vid jämvikt.

1.2 x 10-18 m

sammanfattande resultaten av beräkningarna hjälper oss att kontrollera de antaganden som gjorts längs vägen.

0,077 m

0,023 m

6.,3 x 10-8 m

1.2 x 10-18 m

den enda approximationen som användes vid arbetet med detta problem var antagandet att aciddissociates ett steg i taget. Är skillnaden mellan koncentrationerna av h2po4 – och HPO42-jonerna tillräckligt stora för att motivera antagandet att väsentligen kommer alla H3O+ – jonerna från det första steget? Ja. ÄrDet tillräckligt stort för att motivera antagandet att i huvudsak alla H2PO4-som bildas i det första steget förblir i lösning? Ja.,

du får aldrig stöta på ett exempel på en polyprotinsyra för vilken skillnaden mellan successiva värden för Ka är för liten för att tillåta u att anta stegvis dissociation. Detta antagande fungerar även när vi kan förvänta oss att det skamisslyckas.