Chemija · Pamoka

Konjuguotosios poros, rūgščių stiprumas ir molekulių sandara

Palyginti rūgščių stiprumą nurodytomis pusiausvyros sąlygomis. Atskirti rūgščiai būdingą polinkį jonizuotis nuo konkretaus mėginio koncentracijos ir pH.

Grįžti į chemijos planą

Baigę pamoką, galėsite

Atskirti rūgšties stiprumą nuo formaliosios koncentracijos.
Susieti konjuguotosios rūgšties ir bazės konstantas laikantis nuoseklios konvencijos.
Taikyti molekulių sandaros tendencijas tik lyginant panašias struktūras ir terpes.

Stiprumas ir mėginio koncentracija atsako į skirtingus klausimus

Rūgšties stiprumas nusako protono perdavimo pusiausvyros polinkį nurodytoje terpėje ir nurodytoje temperatūroje. Koncentracija nusako, kiek medžiagos yra pasirinktame kiekyje ar tūryje. Stiprioji rūgštis gali būti labai praskiesta, o silpnoji rūgštis – labiau koncentruota.

Pagal nurodytą idealų vandeninio tirpalo modelį, esant 25 °C temperatūrai, visiškai jonizuotos vienprotonės rūgšties, kurios formalioji koncentracija yra 1.00 × 10⁻⁴ mol L⁻¹, apytikslė pH vertė yra 4.000. Hipotetinės silpnosios rūgšties HA, kurios koncentracija yra 0.0100 mol L⁻¹, o K_a° = 1.00 × 10⁻⁵, pH pagal supaprastintą modelį yra apie 3.507. Labiau koncentruoto silpnosios rūgšties mėginio pH yra mažesnis, tačiau rūgštis dėl to netampa stipriąja.

Mažesnis mėginio pH savaime nereiškia, kad rūgštis stipresnė

Modelinis mėginys	Formalioji koncentracija / mol L⁻¹	Jonizacijos aprašymas	Apskaičiuotas apytikslis pH
Praskiestas stiprios vienprotonės rūgšties tirpalas	1.00 × 10⁻⁴	Visiška rūgšties jonizacija; atsižvelgta į vandenį	4.000
Didesnės koncentracijos silpnoji rūgštis HA	0.0100	K_a° = 1.00 × 10⁻⁵; supaprastintas pusiausvyros modelis	3.507
Interpretacija	Koncentracijos skiriasi	Stiprumas išlieka pusiausvyros savybe	Silpnosios rūgšties mėginio pH gali būti mažesnis

Originalus iliustracinis idealių vandeninių tirpalų palyginimas esant 25 °C temperatūrai. Stipri vienprotonė rūgštis yra visiškai jonizuota; hipotetinės silpnos rūgšties HA konstanta K_a°=1.00×10⁻⁵. Atskaitinė koncentracija yra 1 mol L⁻¹, o įprastinė K_w≈1.00×10⁻¹⁴. Silpnos rūgšties rezultatas gautas taikant nurodytą supaprastinimą iki kvadratinės lygties, laikant vandens jonizacijos indėlį nereikšmingu; jokios konkrečios realios rūgšties savybės nepateikiamos.

Apibrėžti pusiausvyrą ir atskaitos konvenciją

Pusiausvyrai HA + H₂O ⇌ H₃O⁺ + A⁻, taikant normuotojo aktyvumo konvenciją, gaunama K_a° = a_H₃O⁺a_A⁻/(a_HA a_H₂O). Laikant vandens aktyvumą apytiksliai lygiu 1, gaunama įprasta išraiška su ištirpusių medžiagų aktyvumais. Viršutinis indeksas ° čia žymi mūsų taikomą bedimensės termodinaminės konstantos konvenciją.

Didesnė K_a° vertė reiškia didesnį polinkį jonizuotis, kai lyginamos panašios reakcijos suderinamomis sąlygomis; pK_a = −log₁₀K_a° šią tvarką apverčia. Įvadiniuose skaičiavimuose labai didelio laipsnio jonizacija vandenyje dažnai apytiksliai laikoma visiška. Tam nereikia, kad termodinaminė konstanta būtų iš tiesų begalinė.

Stipresnės rūgšties konjuguotoji bazė yra silpnesnė

Konjuguotosios bazės reakcijai A⁻ + H₂O ⇌ HA + OH⁻ tarpusavyje suderintos konstantos tenkina lygybę K_a°K_b° = K_w°. Jas daugindami naudokite tą pačią temperatūrą, tirpiklį ir standartinės būsenos susitarimus. Lygybė pK_a + pK_b = pK_w gaunama logaritmuojant tas pačias bedimenses konstantas.

Originaliame skaitiniame modelyje nustatyta K_a° = 1.00 × 10⁻⁵ ir įprasta mokomoji aproksimacija 25 °C temperatūroje K_w° = 1.00 × 10⁻¹⁴. Konjuguotosios bazės K_b° yra 1.00 × 10⁻⁹. Pakeitus temperatūrą ar tirpiklį, šis palyginimas ir konstantos gali pasikeisti.

Apibrėžtas struktūrų palyginimas atskleidžia tendencijas

Ryšio stiprumas, poliškumas ir tai, kaip konjuguotojoje dalelėje pasiskirsto krūvis, gali paveikti polinkį perduoti protoną. Giminingų dvinarių rūgščių arba giminingų deguoninių rūgščių palyginimas gali atskleisti naudingas tendencijas, tačiau jos priklauso nuo konkuruojančių veiksnių ir konkretaus tirpiklio.

Nerikiuokite bet kokių molekulių vien pagal elektroneigiamumą ir nenaudokite vieno mėginio pH kaip pačiai medžiagai būdingo stiprumo mato. Lyginkite panašias struktūras, reakcijos partnerius ir sąlygas. Jonizuota dalis gali kisti skiedžiant, net jei pusiausvyros konstanta toje pačioje temperatūroje nekinta.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Raskite konjuguotosios bazės konstantą

Naudokite nurodytą modelį K_a° = 1.00 × 10⁻⁵ ir apytikslę K_w° = 1.00 × 10⁻¹⁴ vertę 25 °C temperatūroje. Raskite atitinkamos konjuguotosios bazės K_b°.

Taikykite K_b° = K_w°/K_a°, laikydamiesi suderintų susitarimų.
Padalykite 1.00 × 10⁻¹⁴ iš 1.00 × 10⁻⁵.
Atimkite laipsnių rodiklius: −14 − (−5) = −9.

Šiam modeliui ir šiai temperatūrai K_b° ≈ 1.00 × 10⁻⁹.

Pabandykite patys

Ar stiprus reiškia koncentruotas?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Ne.
Stiprumas susijęs su nurodyta jonizacijos pusiausvyra, o koncentracija – su medžiagų kiekiais mėginyje.
Ar labiau koncentruotos silpnosios rūgšties pH gali būti mažesnis nei praskiestos stipriosios rūgšties?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Taip.
Gaunamą aktyvumą veikia ir mėginio koncentracija, ir pusiausvyros apibrėžiamas stiprumas.
Esant suderinamoms sąlygoms, kaip keičiasi konjuguotosios bazės stiprumas didėjant rūgšties stiprumui?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Konjuguotoji bazė tampa silpnesnė.
Nurodytai konjuguotajai porai pagal nurodytą konvenciją galioja K_a°K_b° = K_w°.
Ar skiedžiant gali keistis procentais išreikštas jonizacijos laipsnis, nors toje pačioje temperatūroje K_a° išlieka pastovi?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Taip.
Pakitus medžiagų kiekiams, pasikeitusi sudėtis turi tenkinti tą patį pusiausvyros sąryšį.

Ką verta įsidėmėti

Skirkite stiprumą, koncentraciją ir gaunamą pH.
Lyginkite konstantas esant suderinamoms sąlygoms ir taikant suderinamas konvencijas.
Išlaikykite konjuguotosios rūgšties ir bazės ryšį K_a°K_b° = K_w°.
Taikykite struktūrines tendencijas neperžengdami pagrįstų jų taikymo ribų.

Šaltiniai

Mokomoji medžiaga ir žinynai, kuriais remiasi pamokos paaiškinimai ir pavyzdžiai.