أحماض بوليبروتيك

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:

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:

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:

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:

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.