14.5: Polyprotic Acids

Malengo ya kujifunza

• Kupanua dhana awali ilianzisha msawazo kwa asidi na besi ambayo inaweza kuchangia au kukubali proton zaidi ya moja

Tunaweza kuainisha asidi kwa idadi ya protoni kwa molekuli ambayo wanaweza kuacha katika mmenyuko. Asidi kama vile$\ce{HCl}$,$\ce{HNO3}$, na$\ce{HCN}$ ambazo zina atomi moja ya hidrojeni ionizable katika kila molekuli huitwa asidi monoprotiki. Athari zao na maji ni:

$$\ce{HCl}(aq)+\ce{H2O}(l)⟶\ce{H3O+}(aq)+\ce{Cl-}(aq) \nonumber$$

$$\ce{HNO3}(aq)+\ce{H2O}(l)⟶\ce{H3O+}(aq)+\ce{NO3-}(aq) \nonumber$$

$$\ce{HCN}(aq)+\ce{H2O}(l)⟶\ce{H3O+}(aq)+\ce{CN-}(aq) \nonumber$$

Japokuwa ina atomi nne za hidrojeni, asidi asetiki$\ce{CH3CO2H}$, pia ni monoprotiki kwa sababu tu atomu ya hidrojeni kutoka kundi la kaboksili ($\ce{-COOH}$) humenyuka na besi:

 

Picha hii ina athari mbili za usawa. Ya kwanza inaonyesha atomi C iliyounganishwa na atomi tatu H na atomi nyingine C. Atomu ya pili ya C inaunganishwa mara mbili na atomu ya O na pia huunda dhamana moja kwa atomi nyingine O. Atomu ya pili ya O imeunganishwa na atomu ya H. Kuna ishara ya pamoja na kisha formula ya Masi H subscript 2 O. mshale wa usawa ifuatavyo H subscript 2 O. haki ya mshale ni H subscript 3 O superscript chanya ishara. Kuna ishara ya pamoja. Muundo wa mwisho unaonyesha atomi ya C iliyoambatana na atomi tatu H na atomi nyingine ya C. Atomu hii ya pili ya C imeunganishwa mara mbili kwa atomu ya O na moja iliyounganishwa na atomi nyingine O. Mfumo mzima ni katika mabano na ishara hasi ya superscript inaonekana nje ya mabano. majibu ya pili inaonyesha C H subscript 3 C O O H (a q) pamoja H subscript 2 O (l) mshale usawa H subscript 3 O (q) pamoja C H subscript 3 C O O superscript hasi ishara (q).

Vile vile, besi za monoprotic ni besi ambazo zitakubali proton moja.

Diprotic Acids

Asidi za diprotic zina atomi mbili za hidrojeni ionizable kwa molekuli; ionization ya asidi hizo hutokea katika hatua mbili. Ionization ya kwanza daima hufanyika kwa kiwango kikubwa kuliko ionization ya pili. Kwa mfano, asidi sulfuriki, asidi kali, ionizes kama ifuatavyo:

• Ionization ya kwanza ni

$$\ce{H2SO4}(aq)+\ce{H2O}(l)⇌\ce{H3O+}(aq)+\ce{HSO4-}(aq) \nonumber$$

na$K_{\ce a1} > 10^2;\: {complete\: dissociation}$.

• Ionization ya pili ni

$$\ce{HSO4-}(aq)+\ce{H2O}(l)⇌\ce{H3O+}(aq)+\ce{SO4^{2−}}(aq) \nonumber$$

na$K_{\ce a2}=1.2×10^{−2}$.

Mchakato huu wa hatua kwa hatua ioniza hutokea kwa asidi zote za polyprotic. Tunapofanya suluhisho la asidi dhaifu ya diprotic, tunapata suluhisho ambalo lina mchanganyiko wa asidi. Asidi ya kaboni$\ce{H2CO3}$,, ni mfano wa asidi dhaifu ya diprotic. Ionization ya kwanza ya asidi ya kaboni huzalisha ions za hidroniamu na ions za bicarbonate kwa kiasi kidogo.

• Ionization ya kwanza

$$\ce{H2CO3}(aq)+\ce{H2O}(l)⇌\ce{H3O+}(aq)+\ce{HCO3-}(aq) \nonumber$$

na

$$K_{\ce{H2CO3}}=\ce{\dfrac{[H3O+][HCO3- ]}{[H2CO3]}}=4.3×10^{−7} \nonumber$$

Ioni ya bicarbonate pia inaweza kutenda kama asidi. Ni ionizes na hufanya ions hydronium na ions carbonate kwa kiasi kidogo hata.

• Ionization ya pili

$$\ce{HCO3-}(aq)+\ce{H2O}(l)⇌\ce{H3O+}(aq)+\ce{CO3^2-}(aq) \nonumber$$

na

$$K_{\ce{HCO3-}}=\ce{\dfrac{[H3O+][CO3^2- ]}{[HCO3- ]}}=4.7×10^{−11} \nonumber$$

$K_{\ce{H2CO3}}$ni kubwa kuliko$K_{\ce{HCO3-}}$ kwa sababu ya 10 ⁴, hivyo H ₂ CO ₃ ni mtayarishaji mkuu wa ion hydronium katika suluhisho. Hii ina maana kwamba kidogo ya$\ce{HCO3-}$ sumu na ionization ya H ₂ CO ₃ ionizes kutoa ioni hidronium (na ions carbonate), na viwango vya H ₃ O ⁺ na$\ce{HCO3-}$ ni karibu sawa katika suluhisho safi ya maji ya H ₂ CO ₃.

Kama kwanza ionization mara kwa mara ya asidi dhaifu diprotic ni kubwa kuliko ya pili kwa sababu ya angalau 20, ni sahihi kutibu ionization kwanza tofauti na mahesabu ya viwango kutokana na hayo kabla ya kuhesabu viwango vya aina kutokana na ionization baadae. Hii inaweza kurahisisha kazi yetu kwa kiasi kikubwa kwa sababu tunaweza kuamua mkusanyiko wa H ₃ O ⁺ na msingi conjugate kutoka ionization kwanza, kisha kuamua mkusanyiko wa conjugate msingi wa ionization pili katika suluhisho na viwango kuamua na kwanza ionization.

Mfano$\PageIndex{1}$: Ionization of a Diprotic Acid

Tunapotumia maji ya soda (maji ya kaboni), tunununua suluhisho la dioksidi kaboni katika maji. Suluhisho ni tindikali kwa sababu CO ₂ humenyuka na maji ili kuunda asidi kaboni, H ₂ CO ₃. Ni nini$\ce{[H3O+]}$$\ce{[HCO3- ]}$, na$\ce{[CO3^2- ]}$ katika suluhisho iliyojaa CO ₂ na awali [H ₂ CO ₃] = 0.033 M?

$$\ce{H2CO3}(aq)+\ce{H2O}(l)⇌\ce{H3O+}(aq)+\ce{HCO3-}(aq) \hspace{20px} K_{\ce a1}=4.3×10^{−7} \label{step1} \tag{equilibrium step 1}$$

$$\ce{HCO3-}(aq)+\ce{H2O}(l)⇌\ce{H3O+}(aq)+\ce{CO3^2-}(aq) \hspace{20px} K_{\ce a2}=4.7×10^{−11} \label{step2} \tag{equilibrium step 2}$$

Suluhisho

Kama ilivyoonyeshwa na constants ionization, H ₂ CO ₃ ni asidi nguvu zaidi kuliko$\ce{HCO3-}$, hivyo$\ce{H2CO3}$ ni mtayarishaji mkuu wa ion hidronium katika suluhisho. Hivyo kuna sehemu mbili katika suluhisho la tatizo hili:

1. Kutumia hatua nne za kimila, tunaamua mkusanyiko wa H ₃ O ⁺ na$\ce{HCO3-}$ zinazozalishwa na ionization ya H ₂ CO ₃.
2. Kisha tunaamua mkusanyiko wa$\ce{CO3^2-}$ suluhisho na mkusanyiko wa H ₃ O ⁺ na$\ce{HCO3-}$ kuamua katika (1).

Kwa muhtasari:

 

Mstatili nne za tani zinaonyeshwa ambazo zinaunganishwa na mishale inayoelezea haki. kwanza ni kinachoitwa “kushoto mabano H subscript 2 C O subscript 3 haki mabano.” Ya pili ni kinachoitwa “kushoto mabano H subscript 3 O superscript pamoja mabano haki na kushoto mabano H C O subscript 3 superscript hasi haki bracket kutoka H subscript 2 C O subscript 3.” Ya tatu ni kinachoitwa “kushoto bracket C O subscript 3 superscript 2 hasi haki bracket kutoka H C O subscript 3 superscript hasi.”

1. Ionization ya kwanza: Kuamua viwango vya$\ce{H3O+}$ na$\ce{HCO3-}$.

Tangu\ ref {step1} ina kubwa$K_{a1}=4.3×10^{−7}$ zaidi kuliko$K_{a2}=4.7×10^{−11}$ kwa\ ref {step2}, tunaweza kupuuza salama hatua ya pili ya ionization na kuzingatia tu hatua ya kwanza (lakini kushughulikia katika sehemu inayofuata ya tatizo).

$$\ce{H2CO3}(aq)+\ce{H2O}(l)⇌\ce{H3O+}(aq)+\ce{HCO3-}(aq) \hspace{20px} K_{\ce a1}=4.3×10^{−7} \nonumber$$

Kama kwa ionization ya asidi nyingine yoyote dhaifu:

 

Mstatili nne za tani zinaonyeshwa ambazo zinaunganishwa na mishale inayoelezea haki. Ya kwanza inaitwa “Tambua mwelekeo wa mabadiliko.” Ya pili inaitwa “Tambua x na viwango vya usawa.” Ya tatu inaitwa “Tatua kwa x na viwango vya usawa.” Ya nne inaitwa “Angalia hesabu.”

Jedwali lililofupishwa la mabadiliko na viwango linaonyesha:

Jedwali lililofupishwa la mabadiliko na viwango

ICE meza	$\ce{H2CO3}(aq)$	$\ce{H2O}(l)$	$\ce{H3O+}(aq)$	$\ce{HCO3-}(aq)$
Mimi awali (M)	\ (\ ce {H2CO3} (aq)\)” style="Nakala-align:katikati; ">$0.033 \:M$	\ (\ ce {H2O} (l)\)” style="Nakala-align:katikati; ">-	\ (\ ce {H3O+} (aq)\)” style="Nakala-align:katikati; ">$0$	\ (\ ce {HCO3-} (aq)\)” style="Nakala-align:katikati; ">$0$
Mabadiliko ya C (M)	\ (\ ce {H2CO3} (aq)\)” style="Nakala-align:katikati; ">$- x$	\ (\ ce {H2O} (l)\)” style="Nakala-align:katikati; ">-	\ (\ ce {H3O+} (aq)\)” style="Nakala-align:katikati; ">$+x$	\ (\ ce {HCO3-} (aq)\)” style="Nakala-align:katikati; ">$+x$
E usawa (M)	\ (\ ce {H2CO3} (aq)\)” style="Nakala-align:katikati; ">$0.033 \:M - x$	\ (\ ce {H2O} (l)\)” style="Nakala-align:katikati; ">-	\ (\ ce {H3O+} (aq)\)” style="Nakala-align:katikati; ">$x$	\ (\ ce {HCO3-} (aq)\)” style="Nakala-align:katikati; ">$x$

Kubadilisha viwango vya usawa katika mara kwa mara ya usawa hutupa:

$$K_{\ce{H2CO3}}=\ce{\dfrac{[H3O+][HCO3- ]}{[H2CO3]}}=\dfrac{(x)(x)}{0.033−x}=4.3×10^{−7} \nonumber$$

Kutatua equation iliyotangulia kufanya mawazo yetu ya kawaida inatoa:

$$x=1.2×10^{−4} \nonumber$$

Hivyo:

$$\ce{[H2CO3]}=0.033\:M \nonumber$$

$$\ce{[H3O+]}=\ce{[HCO3- ]}=1.2×10^{−4}\:M \nonumber$$

2. Ionization ya pili: Kuamua mkusanyiko wa suluhisho$CO_3^{2-}$ katika usawa.

Kwa kuwa\ ref {step1} ina kubwa$K_a$ zaidi kuliko\ ref {step2}, tunaweza hali ya usawa mahesabu kutoka sehemu ya kwanza ya mfano kama hali ya awali kwa Jedwali ICER kwa\ ref {step2}:

$$\ce{HCO3-}(aq)+\ce{H2O}(l)⇌\ce{H3O+}(aq)+\ce{CO3^2-}(aq) \nonumber$$

Jedwali la ICER kwa ajili ya\ ref {step2}:

ICE meza	$\ce{HCO3-}(aq)$	$\ce{H2O}(l)$	$\ce{H3O+}(aq)$	$\ce{CO3^2-}(aq)$
Mimi awali (M)	\ (\ ce {HCO3-} (aq)\)” style="Nakala-align:katikati; ">$1.2×10^{−4}\:M$	\ (\ ce {H2O} (l)\)” style="Nakala-align:katikati; ">-	\ (\ ce {H3O+} (aq)\)” style="Nakala-align:katikati; ">$1.2×10^{−4}\:M$	\ (\ ce {CO3 ^ 2-} (aq)\)” style="Nakala-align:katikati; ">$0$
Mabadiliko ya C (M)	\ (\ ce {HCO3-} (aq)\)” style="Nakala-align:katikati; ">$- y$	\ (\ ce {H2O} (l)\)” style="Nakala-align:katikati; ">-	\ (\ ce {H3O+} (aq)\)” style="Nakala-align:katikati; ">$+y$	\ (\ ce {CO3 ^ 2-} (aq)\)” style="Nakala-align:katikati; ">$+y$
E usawa (M)	\ (\ ce {HCO3-} (aq)\)” style="Nakala-align:katikati; ">$1.2×10^{−4}\:M - y$	\ (\ ce {H2O} (l)\)” style="Nakala-align:katikati; ">-	\ (\ ce {H3O+} (aq)\)” style="Nakala-align:katikati; ">$1.2×10^{−4}\:M + y$	\ (\ ce {CO3 ^ 2-} (aq)\)” style="Nakala-align:katikati; ">$y$

$$\begin{align*} K_{\ce{HCO3-}}&=\ce{\dfrac{[H3O+][CO3^2- ]}{[HCO3- ]}} \\[4pt] &=\dfrac{(1.2×10^{−4}\:M + y) (y)}{(1.2×10^{−4}\:M - y)} \end{align*} \nonumber$$

Ili kuepuka kutatua equation quadratic, tunaweza kudhani$y \ll 1.2×10^{−4}\:M$ hivyo

$$K_{\ce{HCO3-}} = 4.7×10^{−11} \approx \dfrac{(1.2×10^{−4}\:M ) (y)}{(1.2×10^{−4}\:M)} \nonumber$$

Kupanga upya kutatua$y$

$$y \approx \dfrac{ (4.7×10^{−11})(1.2×10^{−4}\:M )}{ 1.2×10^{−4}\:M} \nonumber$$

$$[\ce{CO3^2-}]=y \approx 4.7×10^{−11} \nonumber$$

Kwa muhtasari:

Katika sehemu ya 1 ya mfano huu, tuligundua kwamba$\ce{H2CO3}$ katika 0.033- M ufumbuzi ionizes kidogo na katika usawa$[\ce{H2CO3}] = 0.033\, M$,$[\ce{H3O^{+}}] = 1.2 × 10^{−4}$, na$\ce{[HCO3- ]}=1.2×10^{−4}\:M$. Katika sehemu ya 2, tuliamua kuwa$\ce{[CO3^2- ]}=5.6×10^{−11}\:M$.

Zoezi$\PageIndex{2}$: Hydrogen Sulfide

Mkusanyiko wa$H_2S$ suluhisho la maji yenye maji yenye joto la kawaida ni takriban 0.1 M. Tumia$\ce{[H3O+]}$$\ce{[HS^{−}]}$,, na$\ce{[S^{2−}]}$ katika suluhisho:

$$\ce{H2S}(aq)+\ce{H2O}(l)⇌\ce{H3O+}(aq)+\ce{HS-}(aq) \hspace{20px} K_{\ce a1}=8.9×10^{−8} \nonumber$$

$$\ce{HS-}(aq)+\ce{H2O}(l)⇌\ce{H3O+}(aq)+\ce{S^2-}(aq) \hspace{20px} K_{\ce a2}=1.0×10^{−19} \nonumber$$

Jibu

$[\ce{H2S}] = 0.1 M$,$\ce{[H3O+]} = [HS^{−}] = 0.0001\, M$,$[S^{2−}] = 1 × 10^{−19}\, M$

Tunaona kwamba mkusanyiko wa ion sulfidi ni sawa na K _a2. Hii ni kutokana na ukweli kwamba kila dissociation baadae hutokea kwa kiwango cha chini (kama asidi inakuwa dhaifu).

Asidi ya Triprotic

Asidi ya triprotic ni asidi ambayo ina protoni tatu zisizoweza kupunguzwa ambazo hupata ionization ya hatua kwa hatua: asidi ya fosforasi ni mfano wa kawaida:

• Ionization ya kwanza ni

$$\ce{H3PO4}(aq)+\ce{H2O}(l)⇌\ce{H3O+}(aq)+\ce{H2PO4-}(aq) \nonumber$$

na$K_{\ce a1}=7.5×10^{−3}$.

• Ionization ya pili ni

$$\ce{H2PO4-}(aq)+\ce{H2O}(l)⇌\ce{H3O+}(aq)+\ce{HPO4^2-}(aq) \nonumber$$

na$K_{\ce a2}=6.2×10^{−8}$.

• Ionization ya tatu ni

$$\ce{HPO4^2-}(aq)+\ce{H2O}(l)⇌\ce{H3O+}(aq)+\ce{PO4^3-}(aq) \nonumber$$

na$K_{\ce a3}=4.2×10^{−13}$.

Kama ilivyo kwa asidi ya diprotic, tofauti katika constants ionization ya athari hizi hutuambia kwamba katika kila hatua mfululizo shahada ya ionization ni dhaifu sana. Hii ni tabia ya jumla ya asidi ya poliprotic na mfululizo wa ionization mara nyingi hutofautiana na sababu ya 10 ⁵ hadi 10 ⁶. Seti hii ya athari tatu za kujitenga inaweza kuonekana kufanya mahesabu ya viwango vya usawa katika suluhisho la H ₃ PO ₄ ngumu. Hata hivyo, kwa sababu vipindi vya ionization mfululizo vinatofautiana kwa sababu ya 10 ⁵ hadi 10 ⁶, mahesabu yanaweza kuvunjwa katika mfululizo wa sehemu zinazofanana na zile za asidi za diprotic.

Msingi wa polyprotic unaweza kukubali ioni zaidi ya moja ya hidrojeni katika suluhisho. Ioni ya carbonate ni mfano wa msingi wa diprotic, kwani inaweza kukubali hadi protoni mbili. Ufumbuzi wa carbonates ya chuma ya alkali ni alkali kabisa, kutokana na athari:

$$\ce{H2O}(l)+\ce{CO3^2-}(aq)⇌\ce{HCO3-}(aq)+\ce{OH-}(aq) \nonumber$$

na

$$\ce{H2O}(l)+\ce{HCO3-}(aq)⇌\ce{H2CO3}(aq)+\ce{OH-}(aq) \nonumber$$

Muhtasari

Asidi ambayo ina proton zaidi ya moja ionizable ni asidi polyprotic. Protons ya asidi hizi ionize katika hatua. Tofauti katika constants asidi ionization kwa ionizations mfululizo wa protoni katika asidi poliprotic kawaida kutofautiana na amri takriban tano ya ukubwa. Mradi tofauti kati ya maadili mfululizo wa K _a ya asidi ni kubwa kuliko kuhusu sababu ya 20, ni sahihi kuvunja mahesabu ya viwango vya ions katika suluhisho katika mfululizo wa hatua.

faharasa

asidi ya diprotic

asidi zenye atomi mbili ionizable hidrojeni kwa molekuli. Asidi ya diprotic ionizes katika hatua mbili

msingi wa diprotic

msingi uwezo wa kukubali protons mbili. Protoni zinakubaliwa katika hatua mbili

asidi monoprotic

asidi zenye atomi moja ionizable hidrojeni kwa molekuli

ionization hatua kwa hatua

mchakato ambao asidi ni ionized kwa kupoteza protons sequentially

asidi ya triprotiki

asidi ambayo ina atomi tatu za hidrojeni ionizable kwa molekuli; ionization ya asidi triprotic hutokea katika hatua tatu