Конъюгированная кислота - Conjugate acid
Сопряженная кислота , в теории кислотно-щелочного Бренстеда-Лоури , представляет собой химическое соединение образуется , когда кислота жертвует протон ( Н + ) к основанию , другими словами, это основание с водородом иона , добавленной к нему, как в обратной реакции он теряет ион водорода. С другой стороны, сопряженное основание - это то, что остается после того, как кислота отдала протон во время химической реакции. Следовательно, сопряженное основание представляет собой разновидность, образованную удалением протона из кислоты, так как в обратной реакции оно может получить ион водорода. Потому что некоторые кислоты способны высвобождать несколько протонов, сопряженное основание кислоты само может быть кислотным.
Вкратце, это можно представить как следующую химическую реакцию:
- Кислота + Основание ⇌ Конъюгат Основа + Конъюгат Кислота
Йоханнес Николаус Бронстед и Мартин Лоури представили теорию Бренстеда – Лоури, согласно которой любое соединение, которое может переносить протон на любое другое соединение, является кислотой, а соединение, которое принимает протон, является основанием. Протон - это ядерная частица с единичным положительным электрическим зарядом; он представлен символом H +, потому что он составляет ядро атома водорода , то есть катиона водорода .
Катион может быть конъюгат кислоты, и анион может быть сопр женным основанием, в зависимости от которой вещество участвует и который кислотно-щелочной теории является точка зрения. Простейшим анионом, который может быть сопряженным основанием, является сольватированный электрон , сопряженная кислота которого представляет собой атомарный водород.
Кислотно-основные реакции
В кислотно-основной реакции кислота плюс основание реагирует с образованием конъюгированного основания и конъюгированной кислоты:
Конъюгаты образуются, когда кислота теряет протон водорода или основание приобретает протон водорода. См. Следующий рисунок:
Мы говорим, что молекула воды является сопряженной кислотой иона гидроксида после того, как последний получил протон водорода, подаренный аммонием . С другой стороны, аммиак является сопряженным основанием для кислого аммония после того, как аммоний отдал ион водорода на образование молекулы воды. Мы также можем назвать OH- сопряженным основанием H
2O , поскольку молекула воды отдает протон на производство NH+
4в обратной реакции, которая является преобладающим процессом в природе из-за силы основания NH
3над гидроксид-ионом. На основании этой информации становится ясно, что термины «кислота», «основание», «конъюгированная кислота» и «конъюгированное основание» не являются фиксированными для определенных химических веществ; но взаимозаменяемы в зависимости от протекающей реакции.
Сила конъюгатов
Сила конъюгированной кислоты прямо пропорциональна ее константе диссоциации . Если конъюгированная кислота сильная, ее диссоциация будет иметь более высокую константу равновесия, и продукты реакции будут предпочтительнее. Сила сопряженного основания можно рассматривать как тенденцию разновидностей «притягивать» протоны водорода к себе. Если сопряженное основание классифицируется как сильное, оно будет «удерживать» протон водорода, когда находится в растворе, и его кислота не будет диссоциировать.
Если разновидность классифицируется как сильная кислота, его сопряженное основание будет слабым. Примером этого случая может быть диссоциация соляной кислоты HCl в воде. Поскольку HCl является сильной кислотой (она в значительной степени диссоциирует), ее сопряженное основание ( Cl-
) будет слабой сопряженной базой. Следовательно, в этой системе большинство H+
будет в виде гидроксонии ионов Н
3О+
вместо присоединения к аниону Cl - конъюгированное основание будет слабее, чем молекула воды.
С другой стороны, если вид классифицируется как слабая кислота, его сопряженное основание не обязательно будет сильным основанием. Учтите, что ацетат, сопряженное основание уксусной кислоты, имеет константу диссоциации основания (Kb) приблизительно5,6 × 10 −10 , что делает его слабым основанием. Для того, чтобы у вида было сильное сопряженное основание, это должна быть очень слабая кислота, например, вода.
Определение пар конъюгата кислота-основание
Чтобы идентифицировать конъюгированную кислоту, поищите пару связанных соединений. Кислотно-щелочная реакцию можно рассматривать в до и после смысла. Передняя часть уравнения представляет собой реагирующую сторону, а следующая - часть уравнения, содержащую продукт. Конъюгированная кислота в конце уравнения получает ион водорода, поэтому в передней части уравнения соединение, которое имеет на один ион водорода меньше, чем у сопряженной кислоты, является основанием. Основание конъюгата в задней части уравнения потеряло ион водорода, поэтому в передней части уравнения соединение, которое имеет еще один ион водорода конъюгированного основания, является кислотой.
Рассмотрим следующую кислотно-щелочную реакцию:
-
HNO
3+ H
2O → H
3О+
+ НЕТ-
3
Азотная кислота ( HNO
3) является кислотой, потому что отдает протон молекуле воды, а его сопряженное основание - нитрат ( NO-
3). Молекула воды действует как основание, потому что она получает катион водорода (протон), а его сопряженная кислота - ион гидроксония ( H
3О+
).
Уравнение | Кислота | База | Основание конъюгата | Конъюгированная кислота |
---|---|---|---|---|
HClO 2+ H 2O → ClO- 2+ H 3О+ |
HClO 2 |
ЧАС 2О |
ClO- 2 |
ЧАС 3О+ |
ClO- + H 2О → HClO + ОН- |
ЧАС 2О |
ClO- |
ОЙ- |
HClO |
HCl + H 2PO- 4→ Cl- + H 3PO 4 |
HCl | ЧАС 2PO- 4 |
Cl- |
ЧАС 3PO 4 |
Приложения
Одно из применений конъюгированных кислот и оснований заключается в буферных системах, которые включают буферный раствор . В буфере используется слабая кислота и сопряженное с ней основание (в форме соли) или слабое основание и сопряженная с ней кислота, чтобы ограничить изменение pH во время процесса титрования. Буферы имеют как органические, так и неорганические химические применения. Например, помимо буферов, используемых в лабораторных процессах, кровь человека действует как буфер для поддержания pH. Самый важный буфер в нашем кровотоке - это углекислый бикарбонатный буфер , который предотвращает резкие изменения pH, когда CO
2вводится. Это функционирует как таковое:
Кроме того, вот таблица общих буферов.
Буферный агент pK a Полезный диапазон pH Лимонная кислота 3,13, 4,76, 6,40 2,1 - 7,4 Уксусная кислота 4.8 3,8 - 5,8 КН 2 ПО 4 7.2 6,2 - 8,2 CHES 9,3 8,3–10,3 Борат 9,24 8,25 - 10,25
Вторым распространенным применением органического соединения было бы производство буфера с уксусной кислотой. Если уксусная кислота, слабая кислота с формулой CH
3COOH , был превращен в буферный раствор, его нужно было объединить с его конъюгированным основанием CH
3COO-
в виде соли. Полученная смесь называется ацетатным буфером, состоящим из водного раствора CH
3COOH и водный CH
3COONa . Уксусная кислота, наряду со многими другими слабыми кислотами, служат полезными компонентами буферов в различных лабораторных условиях, каждая из которых полезна в пределах своего собственного диапазона pH.
Лактатный раствор Рингера представляет собой пример, в котором конъюгат основания органической кислоты, молочной кислоты , CH
3СН (ОН) СО-
2сочетается с катионами натрия, кальция и калия и анионами хлорида в дистиллированной воде, которые вместе образуют жидкость, изотоничную по отношению к человеческой крови и используемую для жидкостной реанимации после кровопотери из-за травмы , хирургического вмешательства или ожога .
Таблица кислот и их сопряженных оснований
В таблице ниже приведены несколько примеров кислот и их сопряженных оснований; обратите внимание, как они отличаются всего на один протон ( ион H + ). Сила кислоты уменьшается, а сила сопряженного основания увеличивается вниз по таблице.
Кислота | Основание конъюгата |
---|---|
ЧАС 2F+ Ион фторония |
HF фтористый водород |
HCl соляная кислота | Cl - хлорид- ион |
H 2 SO 4 Серная кислота | HSO- 4 Гидросульфат иона |
HNO 3 Азотная кислота | НЕТ- 3 Нитрат- ион |
H 3 O + ион гидроксония | H 2 O Вода |
HSO- 4 Гидросульфат иона |
ТАК2- 4 Сульфат- ион |
H 3 PO 4 Фосфорная кислота | H 2 PO- 4 Ион дигидрофосфата |
CH 3 COOH Уксусная кислота | CH 3 COO - Ацетат- ион |
HF плавиковая кислота | F - фторид- ион |
H 2 CO 3 Угольная кислота | HCO- 3 Карбонат- ион водорода |
H 2 S сероводородная кислота | HS - Ион сероводорода |
H 2 PO- 4 Ион дигидрофосфата |
HPO2- 4 Ион фосфата водорода |
NH+ 4 Ион аммония |
NH 3 Аммиак |
H 2 O Вода ( pH = 7) | OH - гидроксид- ион |
HCO- 3 Гидрокарбонат (бикарбонат) ион |
CO2- 3 Карбонат- ион |
Таблица оснований и их сопряженных кислот
Напротив, вот таблица оснований и сопряженных с ними кислот. Точно так же сила основания уменьшается, а сила конъюгированной кислоты увеличивается вниз по таблице.
База | Конъюгированная кислота |
---|---|
C 2ЧАС 5NH 2 Этиламин |
C 2ЧАС 5NH+ 3 Ион этиламмония |
CH 3NH 2 Метиламин |
CH 3NH+ 3 Ион метиламмония |
NH 3 Аммиак |
NH+ 4 Ион аммония |
C 5ЧАС 5N пиридин |
C 5ЧАС 6N+ Пиридиний |
C 6ЧАС 5NH 2 Анилин |
C 6ЧАС 5NH+ 3 Ион фениламмония |
C 6ЧАС 5CO- 2 Бензоат-ион |
C 6ЧАС 6CO 2 Бензойная кислота |
F- Фторид- ион |
HF фтористый водород |
PO3- 4 Фосфат- ион |
HPO2- 4 Ион фосфата водорода |
OH - гидроксид- ион | H 2 O Вода (нейтральная, pH 7) |
HCO- 3 Бикарбонат |
ЧАС 2CO 3 Угольная кислота |
CO2- 3 Карбонат-ион |
HCO- 3 Бикарбонат |
Br- Бром |
HBr бромистый водород |
HPO2- 4 Фосфат водорода |
ЧАС 2PO- 4 |
Cl- Хлорид- ион |
HCl Хлористый водород |
ЧАС 2О вода |
ЧАС 3О+ Ион гидроксония |