14.2: Brønsted-Lowry Acids na Msingi

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Kutambua asidi, besi, na conjugate jozi asidi-msingi kulingana na ufafanuzi wa Brønsted-Lowry
• Andika equations kwa athari za asidi na msingi wa ionization
• Tumia mara kwa mara ya bidhaa ya ioni kwa maji kuhesabu viwango vya hidroniamu na hidroksidi ion
• Eleza tabia ya asidi-msingi ya vitu vya amphiprotic

Darasa la majibu ya asidi-msingi limejifunza kwa muda mrefu. Mwaka 1680, Robert Boyle aliripoti sifa za ufumbuzi wa asidi ambazo zilijumuisha uwezo wao wa kufuta vitu vingi, kubadili rangi za rangi fulani za asili, na kupoteza sifa hizi baada ya kuwasiliana na ufumbuzi wa alkali (msingi). Katika karne ya kumi na nane, ilitambuliwa kuwa asidi na ladha ya siki, huguswa na chokaa ili kukomboa dutu la gesi (sasa linajulikana kuwa CO ₂), na kuingiliana na alkali kuunda vitu vya neutral. Mwaka 1815, Humphry Davy alichangia sana maendeleo ya dhana ya kisasa ya asidi-msingi kwa kuonyesha kwamba hidrojeni ni sehemu muhimu ya asidi. Karibu wakati huo huo, Joseph Louis Gay-Lussac alihitimisha kuwa asidi ni vitu vinavyoweza kuondokana na besi na kwamba madarasa haya mawili ya vitu yanaweza kuelezwa tu kwa suala la kila mmoja. Umuhimu wa hidrojeni ulisisitizwa tena mwaka 1884 wakati Svante Arrhenius alifafanua asidi kama kiwanja kinachopasuka ndani ya maji ili kuzalisha cations hidrojeni (sasa inatambuliwa kuwa ioni za hidroniamu) na msingi kama kiwanja kinachopasuka ndani ya maji ili kuzalisha anioni hidroksidi.

Johannes Brønsted na Thomas Lowry walipendekeza maelezo zaidi ya jumla mwaka wa 1923 ambapo asidi na besi zilifafanuliwa kwa suala la uhamisho wa ioni za hidrojeni, H ⁺. (Kumbuka kuwa ioni hizi za hidrojeni mara nyingi hujulikana kama protoni tu, kwa kuwa chembe hiyo ya subatomiki ni sehemu pekee ya cations inayotokana na isotopu nyingi za hidrojeni, ¹ H.) Kiwanja kinachochangia protoni kwa kiwanja kingine kinaitwa asidi ya Brønsted-Lowry, na kiwanja kinachopokea protoni kinaitwa msingi wa Brønsted-Lowry. Mmenyuko wa asidi-msingi ni, kwa hiyo, uhamisho wa proton kutoka kwa wafadhili (asidi) kwa kukubali (msingi).

Dhana ya jozi za kuunganisha ni muhimu katika kuelezea athari za msingi za Brønsted-Lowry (na athari nyingine zinazobadilishwa, pia). Asidi inapochangia H ⁺, spishi iliyobaki inaitwa msingi wa conjugate wa asidi kwa sababu humenyuka kama mpokeaji wa protoni katika mmenyuko wa reverse. Vivyo hivyo, wakati msingi unapokea H ⁺, hubadilishwa kuwa asidi yake ya conjugate. Majibu kati ya maji na amonia yanaonyesha wazo hili. Katika mwelekeo wa mbele, maji hufanya kama asidi kwa kutoa protoni kwa amonia na hatimaye kuwa ion ya hidroksidi^{, OH -}, msingi wa maji. Amonia hufanya kama msingi katika kukubali proton hii, kuwa ion ya amonia,${{\text{NH}}_4}^{\text{+}}\text{,}$asidi conjugate ya amonia. Katika mwelekeo wa nyuma, ion ya hidroksidi hufanya kama msingi katika kukubali proton kutoka ion ya amonia, ambayo hufanya kama asidi.

Mmenyuko kati ya asidi ya Brønsted-Lowry na maji huitwa ionization ya asidi. Kwa mfano, wakati fluoride ya hidrojeni hupasuka katika maji na ionizes, protoni huhamishwa kutoka molekuli ya fluoride ya hidrojeni hadi molekuli za maji, hutoa ioni za hidroniamu na ioni za fluoride

Ionization ya msingi ya aina hutokea inapokubali protoni kutoka kwa molekuli za maji. Katika mfano hapa chini, molekuli ya pyridine, C _{5 NH 5, inakabiliwa} na ionization ya msingi wakati kufutwa katika maji, kutoa hidroksidi na ions pyridinium:

Athari za ionization zilizotangulia zinaonyesha kwamba maji yanaweza kufanya kazi kama msingi wote (kama katika mmenyuko wake na fluoride ya hidrojeni) na asidi (kama ilivyo katika majibu yake na amonia). Spishi zinazoweza ama kuchangia au kukubali protoni huitwa amphiprotiki, au kwa ujumla zaidi, amphoteriki, neno ambalo linaweza kutumika kwa asidi na besi kwa ufafanuzi zaidi ya moja ya Brønsted-Lowry. Ulinganisho hapa chini unaonyesha athari mbili za asidi-msingi kwa aina mbili za amphiprotic, ioni ya bicarbonate na maji:

$${\text{HCO}}_3{}^{—}\left(\text{aq}\right)+{\text{H}}_2\text{O}\left(\text{l}\right){\text{USHIRIKIANO}}_3{}^{2—}\left(\text{aq}\right)+{\text{H}}_3{\text{O}}^{+}\left(\text{aq}\right)$$

$${\text{HCO}}_3{}^{—}\left(\text{aq}\right)+{\text{H}}_2\text{O}\left(\text{l}\right){\text{H}}_2{\text{USHIRIKIANO}}_3\left(\text{aq}\right)+{\text{OH}}^{\mathrm{—}}\left(\text{aq}\right)$$

Equation ya kwanza inawakilisha mmenyuko wa bicarbonate kama asidi na maji kama msingi, ambapo pili inawakilisha mmenyuko wa bicarbonate kama msingi na maji kama asidi. Wakati bicarbonate inapoongezwa kwa maji, usawa huu wote umeanzishwa wakati huo huo na muundo wa suluhisho linaloweza kuamua kupitia mahesabu sahihi ya usawa, kama ilivyoelezwa baadaye katika sura hii.

Katika hali ya kioevu, molekuli ya dutu ya amphiprotic inaweza kuitikia kwa kila mmoja kama ilivyoonyeshwa kwa maji katika equations chini:

Mchakato ambao kama molekuli huitikia kwa ions za mavuno huitwa autoionization. Maji ya kiowevu hupitia autoionization kwa kiwango kidogo sana; saa 25 °C, takriban mbili kati ya kila molekuli za maji bilioni ni ionized. Kiwango cha mchakato wa autoionization ya maji kinaonekana kwa thamani ya mara kwa mara ya usawa, mara kwa mara ya bidhaa ya ion kwa maji, K _w:

$${\text{H}}_2\text{O}(l)+{\text{H}}_2\text{O}(l)\rightleftharpoons {\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}(aq)+{\text{OH}}^{\text{-}}(aq)K_{\text{w}}=[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}][{\text{OH}}^{\text{-}}]$$

Ionization kidogo ya maji safi inaonekana kwa thamani ndogo ya mara kwa mara ya usawa; saa 25° C, K _w ina thamani ya 1.0$\times$^10-14. Mchakato huu ni endothermic, na hivyo kiwango cha ionization na viwango vinavyotokana na ioni ya hidroniamu na hidroksidi ion huongezeka kwa joto. Kwa mfano, saa 100 °C, thamani ya K _w ni karibu 5.6$\times$10 ^-13, takriban mara 50 kubwa kuliko thamani ya 25 °C.

Mfano 14.1

Kiwango cha Ion katika Maji Safi

Je, ni mkusanyiko wa ioni ya hidroniamu na mkusanyiko wa ioni ya hidroksidi katika maji safi katika 25 °C?

Suluhisho

Autoionization ya maji hutoa idadi sawa ya ions hidroniamu na hidroksidi. Kwa hiyo, katika maji safi, [H ₃ O ⁺] = [OH ^∙] = x. Saa 25 °C:

$$K_{\text{w}}=[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}][{\text{OH}}^{\text{-}}]=\left(x\right)\left(x\right)=x^2=1.0\times {10}^{-14}$$

Hivyo:

$$x=[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}]=[{\text{OH}}^{\text{-}}]=\sqrt{1.0\times {10}^{-14}}=1.0\times {10}^{-7}M$$

Mkusanyiko wa ioni ya hidroniamu na mkusanyiko wa ioni ya hidroksidi ni sawa, 1.0$\times$10 ^-7 M.

Angalia Kujifunza Yako

Bidhaa ya ioni ya maji kwenye 80 °C ni 2.4$\times$^10-13. Je, ni viwango gani vya hidroniamu na ioni hidroksidi katika maji safi kwenye 80 °C?

Jibu:

[H ₃ O ⁺] = [OH ^-] = 4.9$\times$10 ^-7 M

Mfano 14.2

Uhusiano wa Inverse kati ya [H ₃ O ⁺] na [OH ^-]

Suluhisho la asidi katika maji lina mkusanyiko wa ioni ya hydronium ya 2.0$\times$10 ^-6 M. Je, ni mkusanyiko wa ioni ya hidroksidi saa 25 °C?

Suluhisho

Tumia thamani ya mara kwa mara ya bidhaa ya ioni kwa maji saa 25 °C

$$2{\text{H}}_2\text{O}(l)\rightleftharpoons {\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}(aq)+{\text{OH}}^{\text{-}}(aq)K_{\text{w}}=[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}][{\text{OH}}^{\text{-}}]=1.0\times {10}^{-14}$$

kuhesabu mkusanyiko wa usawa wa kukosa.

Urekebishaji wa usemi wa K _w unaonyesha kwamba [^{OH -}] ni inversely sawia na [H ₃ O ⁺]:

$$[{\text{OH}}^{\text{-}}]=\frac{K_{\text{w}}}{[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}]}=\frac{1.0\times {10}^{-14}}{2.0\times {10}^{-6}}=5.0\times {10}^{-9}$$

Ikilinganishwa na maji safi, ufumbuzi wa asidi huonyesha mkusanyiko mkubwa wa ioni za hidronium (kutokana na ionization ya asidi) na mkusanyiko wa chini wa ioni za hidroksidi. Hii inaweza kuelezwa kupitia kanuni ya Le Châtelier kama mabadiliko ya kushoto katika usawa wa autoionization wa maji kutokana na mkazo wa kuongezeka kwa mkusanyiko wa ioni ya hidronium.

Kubadilisha viwango vya ioni katika kujieleza K _w unathibitisha hesabu hii, na kusababisha thamani inayotarajiwa:

$$K_{\text{w}}=[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}][{\text{OH}}^{\text{-}}]=(2.0\times {10}^{-6})(5.0\times {10}^{-9})=1.0\times {10}^{-14}$$

Angalia Kujifunza Yako

Je, ni mkusanyiko wa ioni ya hidroniamu katika suluhisho la maji yenye mkusanyiko wa ioni ya hidroksidi ya 0.001 M saa 25 °C?

Jibu:

[H ₃ O ⁺] = 1$\times$10 ^-11 M

Mfano 14.3

Inawakilisha Tabia ya Asidi-Msingi ya Dutu ya Amphoteric

Andika equations tofauti anayewakilisha majibu ya${\text{HSO}}_3{}^{\text{-}}$

(a) kama asidi iliyo na OH ^-

(b) kama msingi na HI

Suluhisho

(a)${\text{HSO}}_3{}^{\text{-}}(aq)+{\text{OH}}^{\text{-}}(aq)\rightleftharpoons {\text{KWA HIVYO}}_3{}^{\text{2}}(aq)+{\text{H}}_2\text{O}(l)$

(b)${\text{HSO}}_3{}^{\text{-}}(aq)+\text{HI}(aq)\rightleftharpoons {\text{H}}_2{\text{KWA HIVYO}}_3(aq)+{\text{I}}^{\text{-}}(aq)$

Angalia Kujifunza Yako

Andika equations tofauti anayewakilisha majibu ya${\text{H}}_2{\text{PO}}_4{}^{\text{-}}$

(a) kama msingi na HbR

(b) kama asidi iliyo na OH ^-

Jibu:

(a)${\text{H}}_2{\text{PO}}_4{}^{\text{-}}(aq)+\text{HbR}(aq)\rightleftharpoons {\text{H}}_3{\text{PO}}_4(aq)+{\text{Br}}^{\text{-}}(aq);$(b)${\text{H}}_2{\text{PO}}_4{}^{\text{-}}(aq)+{\text{OH}}^{\text{-}}(aq)\rightleftharpoons {\text{HPO}}_4{}^{\text{2}}(aq)+{\text{H}}_2\text{O}(l)$