9.1: Кислота та базова міцність

Last updated
Save as PDF

Page ID: 23151

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

Результати навчання

Визначте слабкі кислоти і основи.
Напишіть рівняння, що представляє поведінку слабкої кислоти.
Поясніть відмінності між сильними і слабкими кислотами і сильними і слабкими підставами.
Перерахуйте 6 сильних кислот.
Обчисліть\(K_\text{b}\) значення p\(K_\text{a}\) і p.
Ранжируйте кислоти в порядку міцності на основі їх\(K_\text{a}\) і р\(K_\text{a}\) значень.
Ранг бази в порядку міцності на основі їх\(K_\text{b}\) і р\(K_\text{b}\) значень.

Поки що ми в першу чергу визначали кислоти за їх здатністю пожертвувати\(\ce{H^+}\) іон та основи за їх здатністю приймати\(\ce{H^+}\) іон. Однак кислоти і основи різняться за своєю відносною здатністю піддаватися цим процесам. Про що йшлося, коли ми говорили про слабкі електроліти.

Взагалі кислоти можна класифікувати як сильні або слабкі виходячи з того, наскільки вони виробляються\(\ce{H_3O^+}\) при розчиненні у воді. Для родової кислоти можна написати наступну реакцію рівноваги:

\[\ce{HA} \left( aq \right) + \ce{H_2O} \left( l \right) \rightleftharpoons \ce{H_3O^+} \left( aq \right) + \ce{A^-} \left( aq \right)\]

Використовуючи звичайні стенографічні позначення, це рівняння також можна записати наступним чином:

\[\ce{HA} \left( aq \right) \rightleftharpoons \ce{H^+} \left( aq \right) + \ce{A^-} \left( aq \right)\]

Цей тип рівноваги, при якому протон переноситься у воду, часто вказується записуванням постійної рівноваги як\(K_\text{a}\). Відносне положення цієї рівноваги для даної кислоти визначає, чи буде вона вважатися сильною або слабкою. При розчиненні у воді сильна кислота повністю перенесе свій протон в розчинник. З точки зору рівноваги вище, продукти будуть сильно сприяти\(\left( K_\text{a} \gg 1 \right)\). Насправді, продукти настільки сприятливі, що зворотна реакція часто навіть не розглядається, а передача протонів записується як односпрямована. Наприклад, сильна кислота\(\ce{HCl}\) може дисоціюватися у воді відповідно до наступної реакції:

\[\ce{HCl} \left( aq \right) + \ce{H_2O} \left( l \right) \rightarrow \ce{H_3O^+} \left( aq \right) + \ce{Cl^-} \left( aq \right)\]

який іноді пишеться як

\[\ce{HCl} \left( aq \right) \rightarrow \ce{H^+} \left( aq \right) + \ce{Cl^-} \left( aq \right)\]

щоб спростити рівняння, усунувши воду в рівнянні, оскільки "\(aq\)" вказує, що вода присутня. При рівновазі, по суті, немає інтактних\(\ce{HCl}\) молекул в розчині.

На відміну від цього, рівновага для слабкої кислоти сприяє реагентам. Особливо поширеним видом слабкої кислоти є органічна молекула, яка містить карбоксильну групу\(\ce{COOH}\). Наприклад, оцтова кислота (кислий компонент оцту) має формулу\(\ce{CH_3COOH}\). Її рівняння дисоціації можна записати наступним чином:

\[\ce{CH_3COOH} \left( aq \right) + \ce{H_2O} \left( l \right) \rightleftharpoons \ce{H_3O^+} \left( aq \right) + \ce{CH_3COO^-} \left( aq \right)\]

іноді пишуть як\(\ce{CH_3COOH} \left( aq \right) \rightleftharpoons \ce{H^+} \left( aq \right) + \ce{CH_3COO^-} \left( aq \right)\). Оскільки ми маємо справу зі слабкою кислотою,\(K_\text{a}\) для цього рівновага набагато менше 1. При рівновазі більшість молекул оцтової кислоти все ще залишаються неушкодженими, і лише невеликий відсоток переніс свої протони в розчинник. \(K_\text{a}\)Значення для деяких слабких кислот наведені в таблиці нижче. Всі слабкі кислоти не однаково

Таблиця\(\PageIndex{1}\)
Кислотна назва	Структура	\(K_\text{a}\)
плавикова кислота	\(\ce{H-F}\)	\ (K_\ text {a}\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; ">\(7.1 \times 10^{-4}\)
азотна кислота	\(\ce{O=N-O-H}\)	\ (K_\ text {a}\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; ">\(4.5 \times 10^{-4}\)
мурашина кислота	\(\ce{HCOOH}\)	\ (K_\ text {a}\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; ">\(1.7 \times 10^{-4}\)
оцтова кислота	\(\ce{CH_3COOH}\)	\ (K_\ text {a}\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; ">\(1.8 \times 10^{-5}\)
синильна кислота	\(\ce{H-CN}\)	\ (K_\ text {a}\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; ">\(4.9 \times 10^{-10}\)

Характер р також\(K_\text{a}\) використовується для позначення сили кислоти. р\(K_\text{a}\) визначається так само, як рН, беручи негативний логарифм оф\(K_\text{a}\). Як і у випадку з рН, він використовується для полегшення управління значеннями. Зі збільшенням сили кислоти її\(K_\text{a}\) значення збільшується, а\(K_\text{a}\) значення р зменшується, як показано в таблиці вище. Більшість кислот, з якими ви зіткнетеся на загальних курсах хімії, - це слабкі кислоти. Існує шість поширених сильних кислот (див. Таблицю нижче). Якщо ви визнаєте ці шість, то ви можете припустити, що будь-які інші кислоти є слабкими.

Кислоти

Соляна кислота,\(\ce{HCl}\)
бромна кислота,\(\ce{HBr}\)
Кислота воднева,\(\ce{HI}\)
хлорну кислоту,\(\ce{HClO_4}\)
Азотна кислота,\(\ce{HNO_3}\)
Сірчана кислота,\(\ce{H_2SO_4}\)

Сильні проти слабких основ

Аналогічно реакції дисоціації кислоти з попереднього розділу, ми можемо записати реакцію між родовою основою і водою наступним чином:

\[\ce{B} \left( aq \right) + \ce{H_2O} \left( l \right) \rightleftharpoons \ce{BH^+} \left( aq \right) + \ce{OH^-} \left( aq \right)\]

Константа рівноваги для реакції, в якій основою є депротонуюча вода (беручи атом водню води), часто дається символом\(K_\text{b}\). Сильні основи та слабкі основи потім можуть бути визначені виходячи з положення цієї рівноваги. Слабка основа мала б дуже маленьке\(K_\text{b}\) значення (набагато менше 1), що свідчить про те, що більшість молекул основи не видаляють протон з води. І навпаки, сильна основа матиме\(K_\text{b}\) значення більше або рівне 1.

Азотовмісні сполуки - поширений вид слабкої основи. Самотня пара на атомі азоту може приймати протон з води наступним чином:

\[\ce{NH_3} \left( aq \right) + \ce{H_2O} \left( l \right) \rightleftharpoons \ce{NH_4^+} \left( aq \right) + \ce{OH^-} \left( aq \right)\]

Константа рівноваги для цієї реакції досить низька, тому більшість\(\ce{NH_3}\) молекул не видалять протон з води. \(K_\text{b}\)і p\(K_\text{b}\) значення для декількох слабких основ наведені в таблиці нижче.

Таблиця\(\PageIndex{3}\)
База	\(K_\text{b}\)
етиламін\(\left( \ce{CH_3CH_2NH_2} \right)\)	\ (K_\ text {b}\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; ">\(5.6 \times 10^{-4}\)
метиламін\(\left( \ce{CH_3NH_2} \right)\)	\ (K_\ text {b}\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; ">\(4.4 \times 10^{-4}\)
аміак\(\left( \ce{NH_3} \right)\)	\ (K_\ text {b}\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; ">\(1.8 \times 10^{-5}\)

Єдиними сильними основами, які зазвичай використовуються в загальних курсах хімії, є іонні сполуки, що складаються з катіонів металів та гідроксидних аніонів\(\ce{NaOH}\), таких як\(\ce{KOH}\), або\(\ce{Ba(OH)_2}\).