Слабые кислоты и основания

9 заданий

Константа кислотности и закон разбавления

Слабая кислота диссоциирует обратимо: \(\ce{HA <=> H+ + A-}\),

\[K_a = \frac{[\ce{H+}][\ce{A-}]}{[\ce{HA}]},\qquad pK_a = -\lg K_a\]

Кислота	\(pK_a\)	Кислота	\(pK_a\)
\(\ce{HF}\)	3,17	\(\ce{H2S}\)	7,0
\(\ce{HNO2}\)	3,25	\(\ce{HClO}\)	7,5
\(\ce{HCOOH}\)	3,75	\(\ce{HCN}\)	9,2
\(\ce{CH3COOH}\)	4,76	\(\ce{NH4+}\)	9,25
\(\ce{H2CO3}\)	6,35	\(\ce{B(OH)3}\)	9,24

Если \(x = [\ce{H+}]\) мал по сравнению с \(c\): \(x^2/c = K_a\), то есть

\[[\ce{H+}] = \sqrt{K_ac},\qquad \alpha = \frac{x}{c} = \sqrt{\frac{K_a}{c}}\]

Второе — закон разбавления Оствальда (1888): при разбавлении доля диссоциации растёт, хотя \([\ce{H+}]\) падает.

history_eduОствальд и его «ионисты»

Вильгельм Оствальд, Аррениус и Вант-Гофф — «ионисты» — вместе отстаивали теорию электролитической диссоциации против старой гвардии. Оствальд проверил закон разбавления на сотнях органических кислот и получил Нобелевскую премию 1909 года.

auto_awesomeБорная кислота — кислота Льюиса

\(\ce{B(OH)3}\) не отдаёт свой протон, а присоединяет гидроксид из воды: \(\ce{B(OH)3 + 2H2O <=> [B(OH)4]- + H3O+}\). Поэтому она одноосновна, хотя в формуле три атома водорода.

scienceСлабые кислоты в реакциях

\(\ce{CaF2 + H2SO4 -> CaSO4 + 2HF ^}\) — получение фтороводорода.
\(\ce{NaNO2 + HCl -> NaCl + HNO2}\) — азотистая кислота существует лишь в растворе и на холоду.
\(\ce{KCN + CO2 + H2O -> KHCO3 + HCN}\) — даже угольная кислота вытесняет синильную: цианиды на влажном воздухе пахнут горьким миндалём.

Точный расчёт и проверка приближений

Приближение \(c - x \approx c\) работает, пока \(\alpha < 5\) %. Для не очень слабых кислот в разбавленных растворах оно ломается.

edit_noteФтороводородная кислота

\(\ce{HF}\), \(K_a = 6{,}8\cdot10^{-4}\), \(c = 0{,}010\) М. Приближение: \(x = \sqrt{6{,}8\cdot10^{-6}} = 2{,}6\cdot10^{-3}\) — это 26 % от \(c\)! Точно: \(x^2 + K_ax - K_ac = 0\) ⇒ \(x = 2{,}3\cdot10^{-3}\), pH = 2,64 (а не 2,58).

Другая крайность — очень слабая кислота в очень малой концентрации: тогда ионы воды сравнимы с ионами кислоты, и \([\ce{H+}] = \sqrt{K_ac + K_w}\).

boltБыстрая проверка

Приближение годится, если \(c/K_a > 400\). Для \(\ce{CH3COOH}\) (\(K_a = 1{,}8\cdot10^{-5}\)) — при \(c > 0{,}007\) М; для \(\ce{HF}\) — только при \(c > 0{,}27\) М.

errorОбратная задача

По pH можно найти \(K_a\): \(K_a = \dfrac{h^2}{c - h}\), где \(h = 10^{-\text{pH}}\). Не забывайте вычитать \(h\) из \(c\) — для кислот средней силы это существенно.

scienceГде работает слабость кислоты

\(\ce{HCOOH ->[H2SO4 (конц)] CO ^ + H2O}\) — муравьиная кислота как источник угарного газа в лаборатории.
\(\ce{H2S + 2NaOH -> Na2S + 2H2O}\) — слабая кислота нейтрализуется щёлочью полностью.
\(\ce{NaClO + CO2 + H2O -> NaHCO3 + HClO}\) — на воздухе хлорная известь и «белизна» выделяют хлорноватистую кислоту, которая и отбеливает.

Слабые основания и сопряжённые пары

Слабое основание принимает протон от воды: \(\ce{B + H2O <=> BH+ + OH-}\),

\[K_b = \frac{[\ce{BH+}][\ce{OH-}]}{[\ce{B}]},\qquad [\ce{OH-}] \approx \sqrt{K_bc}\]

Для сопряжённой пары \(K_aK_b = K_w\): константы кислоты \(\ce{NH4+}\) и основания \(\ce{NH3}\) связаны: \(K_b(\ce{NH3}) = 10^{-14}/5{,}6\cdot10^{-10} = 1{,}8\cdot10^{-5}\). Чем сильнее кислота, тем слабее сопряжённое основание — и наоборот.

Основание	\(K_b\)	Сопряжённая кислота
\(\ce{NH3}\)	\(1{,}8\cdot10^{-5}\)	\(\ce{NH4+}\)
\(\ce{CH3NH2}\)	\(4{,}4\cdot10^{-4}\)	\(\ce{CH3NH3+}\)
\(\ce{N2H4}\)	\(1{,}3\cdot10^{-6}\)	\(\ce{N2H5+}\)
\(\ce{NH2OH}\)	\(9\cdot10^{-9}\)	\(\ce{NH3OH+}\)
\(\ce{CN-}\)	\(1{,}6\cdot10^{-5}\)	\(\ce{HCN}\)

boltРяд силы оснований — зеркало ряда кислот

Расположите сопряжённые кислоты по \(pK_a\) — основания выстроятся в обратном порядке: \(\ce{Cl-} < \ce{F-} < \ce{CH3COO-} < \ce{CN-} < \ce{NH2-}\).

scienceОснования без гидроксидов

\(\ce{NH3 + HCl -> NH4Cl}\) — «дым без огня» при встрече газов.
\(\ce{N2H4 + H2SO4 -> N2H6SO4}\) — сульфат гидразиния, удобная форма хранения гидразина.
\(\ce{Na2CO3 + H2O <=> NaHCO3 + NaOH}\) — раствор соды мылкий на ощупь: карбонат — основание.

push_pinГлавное

Слабая кислота: \(\ce{HA <=> H+ + A-}\), \(K_a = \dfrac{[\ce{H+}][\ce{A-}]}{[\ce{HA}]}\). Приближённо \([\ce{H+}] = \sqrt{K_ac}\), доля диссоциации \(\alpha = \sqrt{K_a/c}\) (закон разбавления Оствальда); при \(\alpha > 5\) % решают квадратное уравнение. Для основания — то же с \(K_b\) и \(\ce{OH-}\). Сопряжённая пара: \(K_aK_b = K_w\), \(pK_a + pK_b = 14\).

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.