Қышқылдық-негіздік тепе-теңдік


Қышқылдар мен негіздердің протолиттік теориясы

Протолиттік теорияны 1923 жылы Бренстед және Лоури ұсынған.

Бұл теория бойынша қышқыл - протон () доноры, яғни протонды бере алатын зат, негіз - протон акцепторы, яғни протонды қосып ала алатын зат, амфолит - протон доноры да, акцепторы да бола алатын зат. Бұл теория қышқыл мен негіз түсініктерін әлдеқайда кеңейтті. Мысалы: NH4+, HSO4қышқыл, CO32-, PO43- - негіз.

Протолиттік теория бойынша қышқылдық-негіздік реакция - бұл протонның қышқылдан негізге қайтымды ауысуы болып табылады. Теориядан келесі қорытындылар шығады:

1) қышқылдық-негіздік реакцияда екі негіз протонды қосып алу үшін жарысады;

2) қышқыл негізбен әрекеттескенде қышқылдан оның іліктес негізі, ал негізден оның іліктес қышқылы түзіледі;

3) қышқылдық-негіздік реакциялар оңай қайтымды болады.

Қышқылдық-негіздік реакцияның схемасы:

қышқыл1 Н+ + негіз1

негіз2 + Н+ қышқыл2

қышқыл1 + негіз2 негіз1 + қышқыл2

Мысалы:

НСl + H2O H3O+ + Cl-

қ-л1 н-з2 қ-л2 н-з1

NH3 + H2O NH4 + + OH-

н-з1 қ-л2 қ-л1 н-з2

Жоғарыда көрсетілгендей, су амфолит болып табылады.

Қышқылдық-негіздік қасиеті бар электролиттерді протолиттер деп атайды.

Қышқылдық және негіздік константалар

Қышқылдың және негіздің диссоциациялану константаларын қышқылдық және негіздік константалар деп атайды.

НАn + +

=

қышқылдық константа

В+В+ О

=

негіздік константа

Күшті қышқылдар мен негіздер толық диссоциацияланады. Сондықтан күшті қышқыл үшін сутек ионының концентрациясы қышқылдың жалпы концентрациясына, ал күшті негіз үшін гидроксил ионының концентрациясы негіздің жалпы концентрациясына тең болады.

[=

=

Әлсіз қышқылдар мен негіздер толық диссоциацияланбайды. Олардың рН-ын есептеу үшін қышқылдық немесе негіздік константаларды пайдалану қажет:

а) әлсіз бір негізді қышқыл ерітіндісі үшін

=

С-х

=; хС болғандықтан С-хС

[ ]=х= немесе рН=рК-lg

ә) әлсіз негіз ерітіндісі үшін

МеОНМ + О

=С-х

=

=х= немесе рОН=р-lg

б) әлсіз көп негізді қышқыл үшін

І. + = 1

ІІ. + =1,3

[]=

Егер сатылық константалар сондай алшақ болмаса:

І. + =5,6

ІІ. + =5,6

Онда ІІ сатыны да ескеру керек:

[]=

Егер К + болса, орташа концентрациялы ерітінділер үшін:

[]= немесе рН=

Еріткіштердің қышқылдық-негіздік қасиеттері. Автопротолиз

Табиғаты бойынша еріткіштер 2 үлкен топқа бөлінеді: апротондық және протондық еріткіштер.

Апротондық еріткіштер – қышқылдық-негіздік қасиеті жоқ еріткіштер, бұларға бензол, гексан және т.б. полюссіз еріткіштер жатады.

Протондық еріткіштер – қышқылдық немесе негіздік қасиеті бар еріткіштер. Олардың 3 түрі бар:

1) протогенді немесе қышқылдық еріткіштер;

2) протофильді немесе негіздік еріткіштер;

3) амфипротонды немесе амфотерлі еріткіштер.

Протогенді еріткіштерге сусыз қышқылдар жатады, мысалы, сусыз сірке, құмырсқа, фосфор қышқылдары. Осындай еріткіште күшті қышқыл ерітсе, еріткіш негіз болады, негіздік қасиет көрсетеді.

Протофильді еріткіштерге сусыз аммиак, аминдер жатады. Оларда күшті негіз ерітсе, онда еріткіш қышқылдық қасиет көрсетеді.

Амфипротонды еріткіштерге су, спирттер мен кетондар жатады.

Сонымен еріткіштің қышқылдық-негіздік қасиетіне еріген зат табиғаты әсер етеді. Ал еріткіш табиғаты еріген заттың қышқылдық-негіздік қасиетіне де әсер ете алады. Мысалы:

а) судың протон тартқыштығы біршама жоғары болады, сондықтан суда барлық күшті қышқылдар толық диссоциацияланып, қышқылына айналады, яғни күштері теңеседі, осы құбылысты еріткіштің нивелирлеуші әсері деп атайды.

б) НСN (көгерткіш қышқыл) - суда өте әлсіз қышқыл (, оны аммиакта ерітсе, күшті қышқылға айналады. Себебі аммиак – негіз, электрон тартқыштығы 9,3 эВ, ол протондарды күштірек тартады, бұл құбылысты еріткіштің дифференцирлеуші әсері деп атайды.

Автопротолиз деп амфипротонды еріткіштің екі молекуласы өзара әрекеттесуі арқылы диссоциациялануын айтады. Жалпы түрде:

HSolv + HSolv H2Solv+

+ Solv-

лионий

лиат

Автопротолиз нәтижесінде 2 ион түзіледі: лионий ионы молекулаға протон қосылғанда түзіледі, ал лиат ионы молекуладан протон үзілгенде түзіледі. Мысалы, су үшін автопротолиз теңдеуінде лионий – гидроксоний ионы, лиат – гидроксид-ион:

H2O + H2O H3O+

+ OH-

гидроксоний

гидроксид

Автопротолиз константасы лионий мен лиат активтіліктерінің немесе концентрацияларының көбейтіндісіне тең:

=

оІ] [SоІ

ол автопротолиз константасы

= ] [ =1 (25°С)

Автопротолиз константасының мәні өте маңызды. Ол осы ерітіндідегі рН шкаласының ұзындығын көрсетеді. Мысалы, су үшін р=14, сондықтан суда рН шкаласы 0-14 аралығында болады, нейтрал ортада рН=7 немесе рН7. Метил спирті үшін р=16,9, рН шкаласы 0-16,9 арасында, нейтрал ортада рН=8,45 (рН8,45). Сәйкесінше этанол үшін рН шкаласы 0-19,3 (рН9,65); құмырсқа қышқылы үшін рН шкаласы 0-6,1 (рН3,05); аммиак үшін рН шкаласы 0-32,7 (рН16,35).

Автопротолиз шамасының тағы бір маңызы бар. Іліктес қышқыл мен негіздің константаларын қарастырыйық:

НАn + +

=

+ НАn+

=

=] =

Сонымен, қышқыл неғұрлым күшті болса, оның іліктес негізі соғұрлым әлсіз болады және керісінше. Мысалы, аммиак – біршама күшті негіз, ал аммоний ионы – өте әлсіз қышқыл:

=1

===5,2

Буферлі ерітінділер

Буферлі ерітінділер - рН тұрақтылығын 2 жағдайда сақтайтын ерітінділер:

1) сұйылту кезінде;

2) бір шектен аспайтын күшті қышқыл немесе негіз қосқанда.

Буферлі ерітінділердің келесі түрлері болады:

а) әлсіз қышқыл мен оның тұзының қоспасы:

() рН=4-5

б) әлсіз негіз бен оның тұзының қоспасы:

() рН

в) екі тұздың қоспасы:

_

() рН

Протолиттік теория тұрғысынан буферлі ерітінді – іліктес қышқыл мен негіздің қоспасы.

Буферлі ерітіндінің рН-ын есептеу

Мысал: Буферлі қоспа 0,4 М НСООН 1М НСООNа тұрса:

НСООН + + НСО

==1,77

[НСООН]=0,4 моль, себебі ол әлсіз электролит

=

=1,77

[]=1,77 0,4=7,08 рН=4,15

Немесе қышқыл мен оның тұзынан тұратын буферлі ерітінді үшін арнайы формула бар:

рН=р-

Осы буфердің рН шамасына сұйылтудың әсері

а) 50 есе сұйылту кезінде:

[НСООН]==8 моль/л

=2моль/л

[]==7,08моль/л рН=4,15, яғни 50 есе сұйылтқанда рН шамасы өзгерген жоқ.

б) 10000 есе сұйылту болса:

[НСООН]=4

=1

НСООН+ + НСО

НСО + НСООН+ О

[НСООН]=1-]+[О

[НСООН]=1]-[О

рН=4,15 болғандықтан ОН- концентрациясын ескермеуге болады.

= 1,77

+ 2,7708=0

Осы квадрат теңдеуді шешкенде:

=2,36 моль/л немесе рН=4,63

Яғни буферді 10000 есе сұйылқанда рН шамасы өте аз өзгерді, 0,48 бірлікке артты.

Қышқыл мен сілті қосқанда буферлі ерітіндінің рН-ын есептеу.

а) 400 мл буферлік ерітінді құрамында 0,2 М N+ 0,3 М NСl болсын.

= 1,76

[0,3

=1,76

==1,17 немесе рН=9,07

Әлсіз негіз бен оның тұзынан тұратын буфер үшін дайын формула бар:

рН=14-р+lg

ә) осы ерітіндіге 100 мл 0,05 М NаОН қосса:

+

==0,17 моль/л

==0,23 моль/л

[=1,3 немесе рН=9,11

рН шамасы 0,04 бірлікке ғана артты.

б) осы ерітіндіге 100 мл 0,05 М НСІ қосса:

N

==0,105моль/л

==0,25 моль/л

[=1,06 немесе рН=9,02

рН шамасы 0,05 бірлікке ғана кеміді.

Сонымен, қышқыл қосқан кезде аммиак (негіз) реакцияға түсті, ал сілті қосқанда аммоний (қышқыл) реакцияға түсті.

Сонымен буферлі ерітінділер күшті қышқыл немесе сілті қосқанда рН тұрақтылығын сақтай алады. Бұл құбылыс буферлік әсер деп аталады. Бірақ буферлік әсер шексіз байқалмайды, сондықтан буферлік сиымдылық деген түсінік енгізіледі.

Буферлік сиымдылық - 1 л буфер ерітіндісінің рН-ын 1 бірлікке өзгертуге қажетті күшті қышқыл немесе күшті негіздің эквивалент саны. Ол буфер компоненттерінің концентрациясына, олардың концентрациялар қатынасына тәуелді. Концентрациялар тең болғанда максимальды буферлік сиымдылық байқалады. Буферлік сиымдылықты 2 формуламен есептеп шығаруға болады:

а) =2,3

б)=2,3

мұндағы =[НАn]+[А