8.S: Кислоти, основи та рН (резюме)

Last updated
Save as PDF

Page ID: 18177

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Зв'язок, який утворюється з атома водню, який є частиною полярного ковалентного зв'язку (наприклад, зв'язку O—H) до іншого, більш електронегативного атома (який має принаймні одну нерозділену пару електронів у валентній оболонці) називається водневим зв'язком. Водневі зв'язки - слабкі, частково ковалентні зв'язки. Енергія дисоціації зв'язку O—H ковалентного зв'язку 464 кДж/моль; енергія дисоціації зв'язку O—H •••••O становить близько 21 кДж/моль.
Незважаючи на те, що водневі зв'язки відносно слабкі, велика мережа водневих зв'язків у воді робить енергію значною, а водневий зв'язок, як правило, використовується для пояснення високої температури кипіння води (100 ˚C) щодо молекул подібної маси, які не можуть зв'язатися з воднем. Додаткова енергія являє собою енергію, необхідну для руйнування мережі зв'язку водню.
Полярні молекули, такі як кислоти, сильно зв'язуються з водою. Цей водневий зв'язок не тільки стабілізує молекулярні диполі, але і послаблює ковалентний зв'язок H— A (А являє собою молекулу кислоти). В результаті цього ослаблення зв'язок H— A в цих кислотах розтягується (довжина зв'язку збільшується), а потім повністю розривається. Водень, який був пов'язаний з молекулою води, тепер стає повністю зв'язаним з киснем, утворюючи вид H ₃ O ⁺ (іон гідронію), і кислота тепер існує як аніон (A ^- ); це процес дисоціації кислоти.
Іон гідронію та аніон кислоти, які утворюються в дисоціації кислоти, можуть реагувати на повторне утворення вихідної кислоти. Це являє собою набір реакцій вперед і назад, які відбуваються разом на дуже швидкій шкалі часу; цей тип набору реакцій називається рівновагою і подвійна стрілка використовується в хімічній реакції, щоб показати це. Цей тип реакції називають рівновагою дисоціації кислоти. ГА (ак) + Н ₂ О Н ₃ О ⁺ (ак) + А ^— (ак)
Для будь-якої рівноваги може бути записана постійна рівноваги, яка описує, чи будуть продукти або реагенти переважаючими видами в розчині. Для дисоціації простої кислоти, ГК, постійна рівноваги, K _a, просто задається співвідношенням концентрацій продуктів і реагентів, пам'ятаючи, що молярність розчинених речовин була використана для наближення їх активності, і що розчинники, такі як вода, мають активність 1. Таким чином для іонізації ГК;\[K_{a}=\frac{[H_{3}O^{+}]{[A^{-}]}}{[HA]} \nonumber \]
Відповідно до кислотно-лужної теорії Бронстеда, будь-яка речовина, яка іонізується у воді з утворенням іонів гідронію (донор протонів), називається кислотою; будь-яка речовина, яка приймає протон з іона гідронію, є основою. У кислотно-лужній рівновазі кон'югатна кислота визначається як вид, який дарує водень (протон) у прямій реакції, а кон'югатна основа - це вид, який приймає водень (протон) зворотну реакцію. Таким чином, для іонізації HCl HCl є кон'югатною кислотою, а Cl ^- сполученою основою. НСл (ак) + Н ₂ О Н ₃ О ⁺ (ак) + Сл ^— (ак)
Гідроксиди металів, такі як NaOH, розчиняються у воді з утворенням катіонів металів та гідроксиду аніону. Гідроксид аніон є сильною основою Brønsted і, отже, гідроксид аніон приймає протон з іона гідронію, щоб утворити два молі води. Реакція кислоти Brønsted з основою Brønsted з утворенням води є процесом нейтралізації.
Так само, як вода може сприяти іонізації кислот, вода також може сприяти іонізації себе. Цей рівноважний процес відбувається дуже швидко в чистій воді, і будь-який зразок чистої води завжди буде містити невелику концентрацію іонів гідронію та гідроксиду. У чистій воді при 25 ^о С концентрація іонів гідронію ([H ₃ O ⁺]) і гідроксидних іонів ([HO ^—]) буде дорівнює рівно 1 × 10 ^-7 М. Це називається автопротолізом води.
Рівновага для автопротолізу води визначається як K _w, згідно з рівнянням, показаним нижче:

\[K_{W}=[H_{3}O^{+}]{[HO^{-}]} \nonumber \]

і при нейтральності, [H ₃ O ⁺] і [HO ^—] обидва 1 × 10 ^-7 М, що робить значення K _w

\[K_{W}=[1\times 10^{-7}]{[1\times 10^{-7}]}=1\times 10^{-14} \nonumber \]

Виходячи з автопротолізного рівноваги, кислотні, основні і нейтральні розчини можуть бути визначені як:
- Розчин кислий, якщо [Н ₃ О ⁺] > 1 × 10 ^-7 М.
- Розчин є основним, якщо [H ₃ O ⁺] < 1 × 10 ^-7 М.
- Розчин нейтральний, якщо [Н ₃ О ⁺] = 1 × 10 ^-7 М.
Значення p H - це просто від'ємне логарифма концентрації іонів гідронію (-log [H ₃ O ⁺]).
Пам'ятайте, що логарифм складається з двох наборів чисел; цифри зліва від десяткової крапки (характеристика) відображають інтегральну силу 10, і не включаються при підрахунку значущих цифр. Числа після десяткового (мантиса) мають таке ж значення, як і ваше експериментальне число, тому логарифм 4,15482 являє собою п'ять значущих цифр.
При кислотно-лужному титруванні розчин кислоти або основи з відомою концентрацією повільно додають в розчин кислоти або основи з невідомою концентрацією, використовуючи об'ємну бюретку, до тих пір, поки не буде досягнута нейтральність. Зазвичай для позначення нейтральності використовується індикатор або рН-метр.
При нейтральності відомий обсяг і концентрація доданого вами реагенту, а це означає, що ви можете обчислити кількість родимок, які ви додали (пам'ятайте, концентрація × обсяг = молі). Виходячи зі стехіометрії вашої реакції нейтралізації, ви тоді знаєте, скільки родимок кислоти або основи було в невідомому зразку.