6.2: Концепція Арренія
- Page ID
- 33257
Кислотно-лужна концепція Arrhenius визначає кислоти та основи з точки зору того, як вони впливають на кількість іонів гідронію, (і\(\ce{H_3O^{+}}\), за рахунок розширення, іонів гідроксиду\(\ce{OH^{-}}\)) у водних розчині. Просто у визначенні Arrhenius кислота - це речовина, яка збільшує концентрацію іонів гідронію при його розчиненні у воді. Зазвичай це відбувається, коли кислота дисоціюється втратою протона у воду відповідно до загального рівняння:
\[\ce{HA(aq) + H_2O(l) ⇌ H_3O^{+}(aq) + A^{-}(aq)} \label {6.2.1} \]
\(\ce{A}\)де депротонована форма кислоти. Наприклад, що соляна та оцтова кислоти\(\ce{CH3CO2H}\), мають спільне те, що обидва збільшують кількість іонів водню, коли вони дисоціюються в розчині.
\[\begin{align*} \ce{HCl(aq) + H_2O(l) } &\ce{-> H_3O^+(aq) + Cl^{-}(aq)} \\[4pt] \ce{CH_3CO_2H(aq) + H_2O(l)} &\ce{<=> H_3O^{+}(aq) + CH_3CO_2^{-}(aq)} \end{align*} \nonumber \]
З точки зору визначення Арренія, основна відмінність між соляною та оцтовою кислотою полягає в тому, що соляна кислота повністю дисоціює в розчині з отриманням стехіометричних кількостей\(\ce{H_3O^{+}}\), тоді як оцтова кислота лише частково дисоціює. Такі кислоти\(\ce{HCl}\), які повністю дисоціюють у воді, класифікуються як сильні у визначенні Арренія, тоді як такі, як оцтова кислота, які не класифікуються як слабкі.
Хоча всі слабкі кислоти неповністю дисоціюють, ступінь дисоціації може варіюватися в широких межах. Відносні сили слабких арренієвих кислот зручно виражаються через постійну рівноваги для їх реакції дисоціації кислоти,\(K_a\).
\[K_a=\dfrac{[\ce{H^{+}}][\ce{A^{-}}]}{[\ce{HA}]} \nonumber \]
Значення pK a для обраних слабких кислот наведені в табл\(\PageIndex{1}\).
| Кислота | \(HA\) | \(K_a\) | \(pK_a\) | \(A^−\) | \(K_b\) | \(pK_b\) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| *Цифра в дужках вказує на крок іонізації, який позначається для поліпротової кислоти. | ||||||
| сірчана кислота (2-а іонізація) | \ (HA\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(HSO_4^−\) | \ (K_a\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(1.0 \times 10^{−2}\) | \ (PK_a\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">1.99 | \ (A^−\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(SO_4^{2−}\) | \ (K_b\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(9.8 \times 10^{−13}\) | \ (PK_b\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">12.01 |
| плавикова кислота | \ (HA\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(HF\) | \ (K_a\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(6.3 \times 10^{−4}\) | \ (PK_a\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">3.20 | \ (A^−\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(F^−\) | \ (K_b\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(1.6 \times 10^{−11}\) | \ (PK_b\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">10.80 |
| азотна кислота | \ (HA\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(HNO_2\) | \ (K_a\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(5.6 \times 10^{−4}\) | \ (PK_a\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">3.25 | \ (A^−\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(NO_2^−\) | \ (K_b\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(1.8 \times 10^{−11}\) | \ (PK_b\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">10.75 |
| мурашина кислота | \ (HA\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(HCO_2H\) | \ (K_a\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(1.78 \times 10^{−4}\) | \ (PK_a\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">3.750 | \ (A^−\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(HCO_2^−\) | \ (K_b\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(5.6 \times 10^{−11}\) | \ (PK_b\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">10.25 |
| бензойна кислота | \ (HA\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(C_6H_5CO_2H\) | \ (K_a\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(6.3 \times 10^{−5}\) | \ (PK_a\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">4.20 | \ (A^−\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(C_6H_5CO_2^−\) | \ (K_b\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(1.6 \times 10^{−10}\) | \ (PK_b\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">9.80 |
| оцтова кислота | \ (HA\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(CH_3CO_2H\) | \ (K_a\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(1.7 \times 10^{−5}\) | \ (PK_a\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">4.76 | \ (A^−\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(CH_3CO_2^−\) | \ (K_b\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(5.8 \times 10^{−10}\) | \ (PK_b\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">9.24 |
| іон піридинію | \ (HA\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(C_5H_5NH^+\) | \ (K_a\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(5.9 \times 10^{−6}\) | \ (PK_a\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">5.23 | \ (A^−\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(C_5H_5N\) | \ (K_b\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(1.7 \times 10^{−9}\) | \ (PK_b\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">8.77 |
| хлорноватиста кислота | \ (HA\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(HOCl\) | \ (K_a\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(4.0 \times 10^{−8}\) | \ (PK_a\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">7.40 | \ (A^−\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(OCl^−\) | \ (K_b\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(2.5 \times 10^{−7}\) | \ (PK_b\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">6.60 |
| синильна кислота | \ (HA\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(HCN\) | \ (K_a\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(6.2 \times 10^{−10}\) | \ (PK_a\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">9.21 | \ (A^−\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(CN^−\) | \ (K_b\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(1.6 \times 10^{−5}\) | \ (PK_b\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">4.79 |
| іон амонію | \ (HA\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(NH_4^+\) | \ (K_a\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(5.6 \times 10^{−10}\) | \ (PK_a\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">9.25 | \ (A^−\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(NH_3\) | \ (K_b\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(1.8 \times 10^{−5}\) | \ (PK_b\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">4.75 |
| вода | \ (HA\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(H_2O\) | \ (K_a\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(1.0 \times 10^{−14}\) | \ (PK_a\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">14.00 | \ (A^−\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(OH^−\) | \ (K_b\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(1.00\) | \ (PK_b\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">0.00 |
| ацетилену | \ (HA\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(C_2H_2\) | \ (K_a\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(1 \times 10^{−26}\) | \ (PK_a\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">26.0 | \ (A^−\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(HC_2^−\) | \ (K_b\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(1 \times 10^{12}\) | \ (pk_b\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">−12.0 |
| нашатирний спирт | \ (HA\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(NH_3\) | \ (K_a\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(1 \times 10^{−35}\) | \ (PK_a\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">35.0 | \ (A^−\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(NH_2^−\) | \ (K_b\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">\(1 \times 10^{21}\) | \ (pk_b\) *Число в дужках вказує на крок іонізації, на який йдеться для поліпротової кислоти.» style="text-align:center; ">−21.0 |
Як видно з таблиці значення K a для слабких кислот менше одиниці (інакше вони не були б слабкими) і варіюються на багато порядків. Отже, прийнято табулювати константи іонізації кислоти як значення pK a:
\[pK_a=-\log K_a \nonumber \]
Оскільки значення pK a по суті розміщують значення K a на від'ємній основі десять логарифмічної шкали, чим сильніше слабка кислота, тим нижче її pK a. Слабкі кислоти з більшими значеннями K a матимуть нижчі значення pK a, ніж слабкі кислоти з меншими K a. Причому кожна одиниця збільшення або зменшення рК а відповідає десятикратному збільшенню або зменшенню відповідного К а.
У той час як арренієві кислоти збільшують концентрацію\(\ce{H_3O^{+}}\) у водному розчині, основи Арреніуса зменшуються\(\ce{H_3O^{+}}\). Міцні підстави роблять це стехіометрично. Найбільше представляють собою гідроксидні солі лужних металів або солі четвертинного амонію, які дисоціюють повністю при розчиненні у воді:
\[\ce{MOH(aq) -> M^{+}(aq) + OH^{-}(aq)} \nonumber \]
Цей доданий гідроксид зменшує концентрацію,\(H_3O^+\) зміщуючи рівновагу автоіонізації води до води.
\[\ce{2H_2O(l) <=> H_3O^{+}(aq) + OH^{-}(aq)} \nonumber \]
На відміну від цього, більшість слабких основ реагують з водою, утворюючи рівноважну концентрацію гідроксид-іона відповідно до реакції дисоціації основи
\[\ce{B(aq) + H_2O(l) <=> BH^{+}(aq) + OH^{-}(aq)} \nonumber \]
в якому\(\ce{B}\) знаходиться слабке підставу. Константа іонізації для цієї реакції, яка називається базовою постійною іонізації або\(K_b\), як правило, використовується як міра міцності слабкої основи.
Оскільки гідроксид і іон гідронію є продуктами автоіонізації води, концентрації іона гідронію та гідроксид-іона у водному розчині будуть змінюватися взаємно один з одним. Це означає, що арренієві кислоти можуть бути визнані речовинами, що знижують концентрацію гідроксиду, а основи Арреніуса - речовинами, що підвищують її.
Оскільки кислотно-лужна концепція Arrhenius стурбована станом реакції автоіонізації води, арренієві кислоти і основи також можуть бути визнані за їх впливом на рН розчину. Арренієві кислоти знижують рН, а основи Арреніуса збільшать його.
Щоб кваліфікуватися як арренієва кислота, при введенні у воду хімічна речовина повинна викликати безпосередньо або інакше:
- збільшення водної концентрації гідронію,
- зниження водної концентрації гідроксиду, або
- зниження рН розчину.
І навпаки, щоб кваліфікувати як базу Арреніуса, після введення у воду хімічна речовина повинна викликати, безпосередньо або інакше:
- зниження водної концентрації гідронію,
- збільшення водної концентрації гідроксиду, або
- підвищення рН розчину.
Оскільки кислотно-лужна модель Арренія визначає кислоти та основи з точки зору їх впливу на стан водного розчину, концепція Арренія не може описати реакції у неводних розчинниках, газах, розплавлених рідинях та твердому стані. Отже, для опису реакцій, пов'язаних з перенесенням\(H^+\) та іншими фрагментами у неводних середовищах, слід використовувати інші моделі.