15.12:
أحماض بوليبروتيك
24,730 Views
•
•
تصنف الأحماض حسب عدد البروتونات لكل جزيء والتي يمكن أن تتخلى عنها في التفاعل. الأحماض مثل HCl و HNO 3 و HCN التي تحتوي على ذرة هيدروجين مؤينة واحدة في كل جزيء تسمى الأحماض الأحادية البروتين. ردود أفعالهم مع الماء هي:
| الأحماض الأحادية: التفاعلات مع الماء |
| HCl ( aq ) + H 2 O ( l ) & # 10230 ؛ H 3 O + ( aq ) + Cl & # 8722؛ ( aq ) |
| HNO 3 ( aq ) + H 2 O ( l ) & # 10230 ؛ H 3 O + ( aq ) + NO 3 & # 8722؛ ( aq ) |
| HCN ( aq ) + H 2 O ( l ) & # 8652 ؛ H 3 O + ( aq ) + CN & # 8722؛ ( aq ) |
على الرغم من أنه يحتوي على أربع ذرات هيدروجين ، إلا أن حمض الأسيتيك ، CH 3 CO 2 H ، هو أيضًا أحادي النوع لأن ذرة الهيدروجين من مجموعة الكربوكسيل (COOH) تتفاعل مع القواعد:
وبالمثل ، فإن القواعد أحادية الخلية هي قواعد تقبل بروتونًا واحدًا.
تحتوي الأحماض ثنائية البروز على ذرتين من الهيدروجين المؤين لكل جزيء ؛ يحدث تأين هذه الأحماض في خطوتين. يحدث التأين الأول دائمًا بدرجة أكبر من التأين الثاني. على سبيل المثال ، يتأين حمض الكبريتيك ، وهو حمض قوي ، على النحو التالي:
| حمض ثنائي البروتيك: حمض الكبريتيك (H 2 SO4) | ||
| 1 st التأين | H 2 SO 4 ( aq ) + H 2 O ( l ) & # 8652؛ H 3 O + ( aq ) + HSO 4 & # 8722؛ ( aq ) | K a1 = أكثر من 10 2 ؛ التفكك الكامل |
| 2 nd التأين | HSO 4 & # 8722؛ ( aq ) + H 2 O ( l ) & # 8652؛ H 3 O + ( aq ) + SO 4 2 & # 8722؛ ( aq ) | K a2 = 1.2 & # 215؛ 10 & # 8722؛ 2 |
تحدث عملية التأين المتدرجة هذه لجميع الأحماض متعددة البروتينات. حمض الكربونيك ، H 2 CO 3 ، هو مثال على حمض ثنائي البروتيك ضعيف. ينتج عن التأين الأول لحمض الكربونيك أيونات الهيدرونيوم وأيونات البيكربونات بكميات صغيرة.
التأين الأول: H 2 CO 3 ( aq ) + H 2 O ( لتر ) & # 8652 ؛ H 3 O + ( aq ) + HCO 3 & # 8722؛ ( aq )
يمكن أن يعمل أيون البيكربونات أيضًا كحمض. يؤين ويشكل أيونات الهيدرونيوم وأيونات الكربونات بكميات أقل.
التأين الثاني: HCO 3 & # 8722؛ ( aq ) + H 2 O ( l ) & # 8652؛ H 3 O + ( aq ) + CO 3 2 & # 8722؛ ( aq )
K H2CO3 أكبر من K HCO3 & # 8722؛ بمعامل 10 4 ، لذلك H 2 CO 3 هو المنتج المهيمن لأيون الهيدرونيوم في المحلول.هذا يعني أن القليل من HCO 3 & # 8722؛ يتكون من تأين H 2 CO 3 لإعطاء أيونات الهيدرونيوم (وأيونات الكربونات) وتركيزات H 3 O + و HCO 3 & # 8722؛ عمليًا في محلول مائي نقي لـ H 2 CO 3 .
إذا كان ثابت التأين الأول لحمض ثنائي البروتين الضعيف أكبر من الثاني بعامل لا يقل عن 20 ، فمن المناسب معالجة التأين الأول بشكل منفصل وحساب التركيزات الناتجة عنه قبل حساب تركيزات الأنواع الناتجة عن التأين اللاحق . تم توضيح هذا النهج في المثال التمرين التالي.
تأين حمض ثنائي البروتين
& # 8220 ؛ مياه غازية & # 8221 ؛ يحتوي على كمية مستساغة من ثاني أكسيد الكربون المذاب. المحلول حامضي لأن ثاني أكسيد الكربون 2 يتفاعل مع الماء لتكوين حمض الكربونيك H 2 CO 3 . ما هي [H 3 O + ] و [HCO 3 & # 8722؛ ] و [CO 3 2 & # 8722؛ ] في محلول مشبع من CO 2 مع [H 2 CO 3 ] = 0.033؟
كما تشير ثوابت التأين ، H 2 CO 3 هو حمض أقوى بكثير من HCO 3 & # 8722؛ ، لذلك يمكن معالجة تفاعلات التأين التدريجي بشكل منفصل. باستخدام المعلومات المقدمة ، يتم إعداد جدول ICE لخطوة التأين الأولى هذه:
| H 2 CO 3 ( aq ) | H 3 O + ( aq ) | HCO 3 & # 8722؛ </ | |
| التركيز الأولي (M) | 0.033 | ~ 0 | 0 |
| تغيير (M) | & # 8722؛ x | + x | + x |
| تركيز التوازن (M) | 0.033 & # 8722 ؛ x | x | x |
يعطي استبدال تركيزات التوازن في معادلة التوازن
بافتراض x & # 60؛ & # 60؛ 0.033 وحل المعادلة المبسطة ينتج عنه
حدد جدول ICE x على أنه يساوي مولارية أيونات البيكربونات ومولارية أيون الهيدرونيوم:
باستخدام تركيز أيون البيكربونات المحسوب أعلاه ، يخضع التأين الثاني لحساب توازن مماثل: HCO 3 & # 8722؛ ( aq ) + H 2 O ( l ) & # 8652؛ H 3 O + ( aq ) + CO 3 2 & # 8722؛ ( aq )
للتلخيص: عند التوازن [H 2 CO 3 ] = 0.033 M ؛ [H 3 O + ] = 1.2 & # 215؛ 10 & # 8722؛ 4 ؛ [HCO 3 & # 8722؛ ] = 1.2 & # 215؛ 10 & # 8722؛ 4 م ؛ و [CO 3 2 & # 8722؛ ] = 4.7 & # 160؛ & # 215؛ 10 & # 8722 ؛ 11 M.
الحمض الثلاثي هو حمض يحتوي على ثلاث ذرات H قابلة للتأين. حمض الفوسفوريك هو أحد الأمثلة:
| حمض التريبروتيك: حمض الفوسفوريك (H 3 PO 4 ) | ||
| 1 st التأين | H 3 PO 4 ( aq ) + H 2 O ( l ) & # 8652؛ H 3 O + ( aq ) + H 2 PO 4 & # 8722 ؛ ( aq ) & # 160؛ | K a1 = 7.5 & # 215؛ 10 & # 8722؛ 3 |
| 2 nd التأين | H 2 PO 4 & # 8722؛ ( aq ) + H 2 O ( l ) & # 8652؛ H 3 O + ( aq ) + HPO 4 2 & # 8722؛ ( aq ) | K a2 = 6.2 & # 215؛ 10 & # 8722؛ 8 |
| 3 rd التأين | HPO 4 2 & # 8722؛ ( aq ) + H 2 O ( l ) & # 8652؛ H 3 O + ( aq ) + PO 4 3 & # 8722؛ ( aq ) | K a3 = 4.2 & # 215؛ 10 & # 8722؛ 13 |
بالنسبة لأمثلة الحمض ثنائي البروز ، فإن كل تفاعل تأين متتالي يكون أقل شمولاً من السابق ، وينعكس في القيم المتناقصة لثوابت التأين الحمضي التدريجي. هذه سمة عامة للأحماض متعددة البروتات وثوابت التأين المتتالية غالبًا ما تختلف بمعامل يبلغ حوالي 10 5 إلى 10 6 .
قد تظهر هذه المجموعة من تفاعلات التفكك الثلاثة لإجراء حسابات لتركيزات التوازن في محلول H 3 PO 4 معقدًا. ومع ذلك ، نظرًا لاختلاف ثوابت التأين المتتالية بمعامل 10 5 إلى 10 6 ، توجد اختلافات كبيرة في التغييرات الصغيرة في التركيز المصاحبة لتفاعلات التأين. يسمح هذا باستخدام افتراضات وعمليات تبسيط الرياضيات ، كما هو موضح في الأمثلة أعلاه. القواعد متعددة البروتينات قادرة على قبول أكثر من أيون هيدروجين. أيون الكربونات هو مثال على قاعدة ثنائية البروتونات ، لأنه يمكن أن يقبل بروتونين ، كما هو موضح أدناه. كما هو الحال بالنسبة للأحماض متعددة البروتينات ، لاحظ انخفاض ثوابت التأين مع خطوة التأين. وبالمثل ، فإن حسابات التوازن التي تنطوي على قواعد متعددة البروتينات تتبع نفس الأساليب المتبعة في الأحماض المتعددة البروتينات.
هذا النص مقتبس من Openstax, Chemistry 2e, Section 14.5: Polyprotic Acids.