Berechnung der Gleichgewichtskonzentrationen von polyprotischen Säuren
Polyprotische Säuren weisen aufgrund des Vorhandenseins mehrerer Spezies in Lösung komplexe Gleichgewichte auf.
Lernziele
Lösen Sie Gleichgewichtsprobleme mit den entsprechenden Approximationen für schwache und starke polyprotische Säuren.,
Key Takeaways
Key Points
- Polyprotische Säuren enthalten mehrere saure Protonen, die sequentiell von der Verbindung mit eindeutigen sauren Dissoziationskonstanten für jedes Proton dissoziieren können.
- Aufgrund der Vielfalt möglicher Ionenarten in Lösung für jede Säure kann die genaue Berechnung der Konzentrationen verschiedener Arten im Gleichgewicht sehr kompliziert sein.
- Bestimmte Vereinfachungen können die Berechnungen erleichtern; diese Vereinfachungen variieren mit der spezifischen Säure und den Lösungsbedingungen.,
Schlüsselbegriffe
- ionische Spezies: chemische Spezies mit einer Restladung; im Säure-Basen-Gleichgewicht die Ladung, die sich aus dem Verlust oder der Zugabe von Elektronen aus chemischen Verbindungen ergibt
- Gleichgewicht: der Zustand einer Reaktion, in der die Raten der Vorwärts-und Rückwärtsreaktionen gleich sind
- polyprotische Säuren: eine Säure mit mehreren sauren Protonen
Polyprotische Säuren können an mehr als ein Proton. Die Dissoziation des ersten Protons kann als Ka1 bezeichnet werden und die Konstanten für die Dissoziationen aufeinanderfolgender Protonen als Ka2 usw., Häufige polyprotische Säuren umfassen Schwefelsäure (H2SO4) und Phosphorsäure (H3PO4).
Bei der Bestimmung der Gleichgewichtskonzentrationen für verschiedene Ionen, die durch polyprotische Säuren erzeugt werden, können Gleichungen komplex werden, um die verschiedenen Komponenten zu berücksichtigen., Für eine Diprotinsäure können wir zum Beispiel die fraktionierte Dissoziation (alpha) der Spezies HA– unter Verwendung der folgenden komplexen Gleichung berechnen:
Gleichung zum Auffinden der fraktionierten Dissoziation von HA-: Die obige Konzentration kann verwendet werden, wenn der pH-Wert bekannt ist, sowie die beiden Säuredissoziationskonstanten für jeden Dissoziationsschritt.für polyprotische Säuren jedoch vereinfacht werden.
Je nach polyprotischer Säure können wir das Problem vereinfachen., Die folgenden Beispiele zeigen die Mathematik und Vereinfachungen für einige polyprotische Säuren unter bestimmten Bedingungen.
Diprotische Säuren Mit starkem ersten Dissoziationsschritt
Wie wir bereits wissen, ist das erste Proton der Schwefelsäure stark sauer und dissoziiert vollständig in Lösung:
H2SO4 → H+ + HSO4–
Der zweite Dissoziationsschritt ist jedoch nur schwach sauer:
\text{HSO}_4^- \rightleftharpoons \text{H}^+ \text{SO}_4^{2-} Ka2 = 1,20×10-2 pKa2 = 1.,92
Da die erste Dissoziation so stark ist, können wir davon ausgehen, dass die Lösung kein messbares H2SO4 enthält, und die einzigen Gleichgewichtsberechnungen, die durchgeführt werden müssen, befassen sich nur mit dem zweiten Dissoziationsschritt.
die Bestimmung Vorherrschender Arten Von pH-und pKa –
Phosphorsäure, H3PO4, hat drei Dissoziation Schritte aus:
,\text{H}_3\text{PO}_4 \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{H}_2\text{PO}_4^- pKa1 = 2.12
,\text{H}_2\text{PO}_4^- \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{HPO}_4^{2-} pKa2 = 7.,21
\text{HPO}_4^{2 -} \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{PO}_4^{3 -} pKa3 = 12.67
Bei einem pH-Wert, der dem pKa für eine bestimmte Dissoziation entspricht, sind die beiden Formen der dissoziierenden Spezies aufgrund der folgenden mathematischen Beobachtung in gleichen Konzentrationen vorhanden. Nehmen Sie zum Beispiel die zweite Dissoziation Schritt von Phosphorsäure, die einem pKa2 von 7.21:
,\text{pK}_{\text{a}2}=-\text{log}\left(\frac{}{}\rechts)=7.21
,\text{pH}=-\text{log}=7.,21
Durch die Eigenschaft von Logarithmen erhalten wir Folgendes:
\text{pH}-\text{pK}_{\text{a}2}=-\text{log}\left(\frac{}{}\right)=0
\frac{}{}=1
Wenn pH = pKa2 ist, haben wir also das Verhältnis / = 1,00; In einer nahezu neutralen Lösung haben H2PO4-und HPO42– sind in gleichen Konzentrationen vorhanden. Sehr wenig undissoziierte H3PO4 oder dissoziierte PO43-werden gefunden, wie durch ähnliche Gleichungen mit ihren gegebenen Ka bestimmt wird.
Die einzigen Phosphatarten, die wir in der Nähe von pH = 7 betrachten müssen, sind H2PO4– und HPO42-., In ähnlicher Weise sind in stark sauren Lösungen in der Nähe von pH = 3 die einzigen Arten, die wir berücksichtigen müssen, H3PO4 und H2PO4 -. Solange die pKa-Werte aufeinanderfolgender Dissoziationen durch drei oder vier Einheiten getrennt sind (wie sie fast immer sind), werden die Dinge vereinfacht. Wir müssen nur das Gleichgewicht zwischen den beiden vorherrschenden Säure/Basenarten berücksichtigen, das durch den pH-Wert der Lösung bestimmt wird.
Phosphorsäure: Die chemische Struktur der Phosphorsäure zeigt an, dass sie drei saure Protonen hat.,
Diprotische Säuren Mit einem sehr schwachen zweiten Dissoziationsschritt
Wenn eine schwache diprotische Säure wie Kohlensäure, H2CO3, dissoziiert, stammen die meisten vorhandenen Protonen aus dem ersten Dissoziationsschritt:
\text{H}_2\text{CO}_3 \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{HCO}_3^- pKa1 = 6.37
Da die zweite Dissoziationskonstante um vier Größenordnungen kleiner ist (pKa2 = 10,25 ist um vier Einheiten größer), wird der Beitrag von Wasserstoffionen aus der zweiten Dissoziation nur ein Zehntausendstel so groß sein., Folglich hat die zweite Dissoziation einen vernachlässigbaren Effekt auf die Gesamtkonzentration von H+ in Lösung und kann ignoriert werden.