Back to chapter

15.12:

חומצות רב פרוטיות

JoVE Core
Chimie
Un abonnement à JoVE est nécessaire pour voir ce contenu.  Connectez-vous ou commencez votre essai gratuit.
JoVE Core Chimie
Polyprotic Acids

Langues

Diviser

חומצות חד-פרוטיות כמו חומצה הידרופלואורית מכילות פרוטון בר יינון אחד. לעומת זאת, חומצות פוליפרוטיות מכילות שני פרוטונים הניתנים ליינון או יותר. לדוגמה, לחומצה גופרתית יש שני פרוטונים הניתנים ליינון, ולחומצה זרחתית יש שלושה.חומצות פוליפרוטיות מאבדות את הפרוטונים זה אחר זה, ולכל תגובה יש את ה-Ka שלה. קל יותר להסיר פרוטון ממולקולה ניטרלית מאשר ממולקולה בעלת מטען שלילי, משום שהמטען השלילי מחזק את הקשר בין הפרוטון לאניון. לכן, בחומצה פוספורית, ה-Ka בעת הסרת הפרוטון הראשון, Ka1, גבוה יותר מבעת הסרת הפרוטון השני, Ka2, שהוא גבוה מ-Ka3.ניתן להעריך את ה-pH של חומצה פוליפרוטית על ידי שימוש בתגובה הראשונה אם Ka1 גדול לפחות פי אלף מה-Ka הבאים. לדוגמה, ה-pH של תמיסת חומצה אסקורבית בריכוז 0.050 מולר ייקבע לפי Ka1 שלו וטבלת ICE. כשחומצה אסקורבית(ויטמין סי)מומסת במים, מתרחש פירוק ליוני הידרוניום ויוני אסקורבט.ה-Ka1 של תגובה זו הוא 8 X כפול 10 בחזקת מינוס 5, והוא שווה לריכוז ההידרוניום כפול ריכוז מונואניון אסקורבי, חלקי ריכוז החומצה האסקורבית. ניתן להכין טבלת ICE לתגובה זו באמצעות הריכוזים ההתחלתיים בשיווי משקל. בגלל הערך הקטן של x, 0.050 פחות x שווה ל-0.050 בקירוב.כאשר מציבים ערכים אלו בביט7וי עבור Ka1, הערך של x שווה ל-0.0020 מולר, שהוא רק 4%מהריכוז ההתחלתי של חומצה אסקורבית. לכן הקירוב תקף. ה-pH של התמיסה שווה 2.70.הריכוז של אסקורבט דואניון שנוצר בשלב השני של התגובה ניתן לחישוב באמצעות Ka2 וטבלת ICE. Ka2 שווה ל-1.6 כפול 10 בחזקת מינוס 12 ויכול להיות מבוטא כריכוז של ההידרוניום כפול הריכוז של אסקורבט דואניון חלקי ריכוז האסקורבט מונואניון. בתגובה זו, טבלת ICE תמולא באמצעות הריכוז ההתחלתי של האסקורבט מונואניון וההידרוניום מהתגובה הראשונה, 0.002 מולר.בשל הערך הקטן של x, ניתן להשמיטו מהריכוזים ההתחלתיים של האסקורבט מונואניון וההידרוניום. אחרי ההצבה של ערכים אלו בביטוי של Ka2 ופתרון, x הוא 1.6 כפול 10 בחזקת מינוס 3 מולר. משום ש-x קטן מ-5%מ-0.002 מולר, הקירוב תקף.בעוד הריכוז של יוני הידרוניום שנוצרו תוך כדי השלב השני של פירוק החומצה האסקורבית זניח, הפרוטון בר היינון הראשון קובע את ה-pH של החומצה.

15.12:

חומצות רב פרוטיות

Acids are classified by the number of protons per molecule that they can give up in a reaction. Acids such as HCl, HNO3, and HCN that contain one ionizable hydrogen atom in each molecule are called monoprotic acids. Their reactions with water are:

Monoprotic acids: Reactions with water
HCl (aq) + H2O (l) ⟶ H3O+ (aq) + Cl(aq)
HNO3 (aq) + H2O (l) ⟶ H3O+ (aq) + NO3(aq)
HCN (aq) + H2O (l) ⇌ H3O+ (aq) + CN(aq)

Even though it contains four hydrogen atoms, acetic acid, CH3CO2H, is also monoprotic because only the hydrogen atom from the carboxyl group (COOH) reacts with bases:

Image1

Similarly, monoprotic bases are bases that will accept a single proton.

Diprotic acids contain two ionizable hydrogen atoms per molecule; ionization of such acids occurs in two steps. The first ionization always takes place to a greater extent than the second ionization. For example, sulfuric acid, a strong acid, ionizes as follows:

Diprotic acid: Sulfuric acid (H2SO4)
1st ionization H2SO4 (aq) + H2O (l) ⇌ H3O+ (aq) + HSO4(aq) Ka1 = more than 102; complete dissociation
2nd ionization HSO4(aq) + H2O (l) ⇌ H3O+ (aq) + SO42− (aq) Ka2 = 1.2 × 10−2

This stepwise ionization process occurs for all polyprotic acids. Carbonic acid, H2CO3, is an example of a weak diprotic acid. The first ionization of carbonic acid yields hydronium ions and bicarbonate ions in small amounts.

First ionization: H2CO3 (aq) + H2O (l) ⇌ H3O+ (aq) + HCO3(aq)

Eq1

The bicarbonate ion can also act as an acid. It ionizes and forms hydronium ions and carbonate ions in even smaller quantities.

Second ionization: HCO3(aq) + H2O (l) ⇌ H3O+ (aq) + CO32− (aq)

Eq2

KH2CO3 is larger than KHCO3− by a factor of 104, so H2CO3 is the dominant producer of hydronium ion in the solution. This means that little of the HCO3 formed by the ionization of H2CO3 ionizes to give hydronium ions (and carbonate ions), and the concentrations of H3O+ and HCO3 are practically equal in a pure aqueous solution of H2CO3.

If the first ionization constant of a weak diprotic acid is larger than the second by a factor of at least 20, it is appropriate to treat the first ionization separately and calculate concentrations resulting from it before calculating concentrations of species resulting from subsequent ionization. This approach is demonstrated in the following example exercise.

Ionization of a Diprotic Acid

“Carbonated water” contains a palatable amount of dissolved carbon dioxide. The solution is acidic because CO2 reacts with water to form carbonic acid, H2CO3. What are [H3O+], [HCO3], and [CO32−] in a saturated solution of CO2 with an initial [H2CO3] = 0.033?

Eq3

As indicated by the ionization constants, H2CO3 is a much stronger acid than HCO3, so the stepwise ionization reactions may be treated separately.Using the provided information, an ICE table for this first ionization step is prepared:

H2CO3 (aq) H3O+ (aq) HCO3(aq)
Initial concentration (M) 0.033 ~0 0
Change (M) −x +x +x
Equilibrium concentration (M) 0.033 − x x x

Substituting the equilibrium concentrations into the equilibrium equation gives

Eq4

Assuming x << 0.033 and solving the simplified equation yields

Eq5

The ICE table defined x as equal to the bicarbonate ion molarity and the hydronium ion molarity:

Eq6

Using the bicarbonate ion concentration computed above, the second ionization is subjected to a similar equilibrium calculation: HCO3 (aq) + H2O (l) ⇌ H3O+ (aq) + CO32− (aq)

Eq7

To summarize: at equilibrium [H2CO3] = 0.033 M; [H3O+] = 1.2 × 10−4; [HCO3] = 1.2 × 10−4 M; and [CO32−] = 4.7 × 10−11 M.

A triprotic acid is an acid that has three ionizable H atoms. Phosphoric acid is one example:

Triprotic acid: Phosphoric acid (H3PO4)
1st ionization H3PO4 (aq) + H2O (l) ⇌ H3O+ (aq) + H2PO4(aq Ka1 = 7.5 × 10−3
2nd ionization H2PO4(aq) + H2O (l) ⇌ H3O+ (aq) + HPO42− (aq) Ka2 = 6.2 × 10−8
3rd ionization HPO42− (aq) + H2O (l) ⇌ H3O+ (aq) + PO43− (aq) Ka3 = 4.2 × 10−13

As for the diprotic acid examples, each successive ionization reaction is less extensive than the former, reflected in decreasing values for the stepwise acid ionization constants. This is a general characteristic of polyprotic acids and successive ionization constants often differ by a factor of about 105 to 106.

This set of three dissociation reactions may appear to make calculations of equilibrium concentrations in a solution of H3PO4 complicated. However, because the successive ionization constants differ by a factor of 105 to 106, large differences exist in the small changes in concentration accompanying the ionization reactions. This allows the use of math-simplifying assumptions and processes, as demonstrated in the examples above. Polyprotic bases are capable of accepting more than one hydrogen ion. The carbonate ion is an example of a diprotic base, because it can accept two protons, as shown below. Similar to the case for polyprotic acids, note the ionization constants decrease with ionization step. Likewise, equilibrium calculations involving polyprotic bases follow the same approaches as those for polyprotic acids.

Eq8

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 14.5: Polyprotic Acids.