Кислоты: Монопротонные, трипротонные и полипротонные в химии

Протон: В этом контексте протон представляет собой атом водорода, у которого был удален электрон (ион водорода). Также обозначается H+.

Кислота Бронстеда-Лоури: донор протонов (H+).

Основание Бронстеда-Лоури: акцептор протонов (H+).

Ka: константа равновесия для реакции депротонирования кислоты (в прямом направлении).

Что такое монопротонные кислоты?
Большинство обычно встречающихся кислот являются монопротонными, что означает, что они могут выделять только один протон. Примеры монопротонных кислот включают:

HCl (соляная кислота)
CH3 COOH (уксусная кислота)
HNO 3 (азотная кислота)
Обратите внимание, что соляная кислота и азотная кислота имеют в своей формуле только один водород, и этот водород является кислым (что означает, что он может выделяться в виде протона). Однако уксусная кислота содержит водород, который НЕ является кислым. Важно отметить, что кислоты часто содержат некислотные атомы водорода.

Что такое полипротонные кислоты?
Полипротонная кислота - это любая кислота Бронстеда-Лоури, которая может отдавать более одного протона. В то время как приведенные выше примеры могут высвобождать только один протон, многие кислоты имеют несколько кислых атомов водорода. Вот несколько примеров:

H2SO4 (серная кислота)
H3PO4 (фосфорная кислота)
C10h16n2o8 (Этилендиаминтетрауксусная кислота, или сокращенно ЭДТА)
Каждая из этих кислот имеет более одного кислого протона. У серной кислоты их два, поэтому ее можно было бы назвать дипротовой кислотой. Фосфорная кислота имеет три, поэтому ее называют трипротонной кислотой. ЭДТА содержит четыре кислых протона, что означает, что технически ее можно было бы назвать тетрапротонной кислотой, но на практике любая кислота с более чем тремя протонами называется просто полипротонной. Теоретически, нет никаких ограничений на количество кислых протонов, которые могла бы иметь полипротонная кислота.

Как работают полипротонные кислоты?
Напомним, что когда кислота отдает протон, она образует так называемое сопряженное основание. Для монопротонных кислот конъюгатное основание не имеет кислотных протонов и может действовать (что неудивительно) только как основание. Однако для полипротонных кислот конъюгатное основание исходной кислоты ИМЕЕТ кислотные протоны – другими словами, конъюгатное основание также является кислотой. Давайте рассмотрим несколько примеров.

HCl ? Cl– + H+

В приведенном выше равновесии соляная кислота, сильная монопротонная кислота, отдает свой кислый водород. Это образует сопряженное основание, хлорид, плюс протон. Кислотных протонов больше нет, поэтому дальнейшей реакции нет.

H3PO4 ? H2PO4– + H+

Приведенное выше равновесие показывает потерю первого кислотного протона из фосфорной кислоты. Обратите внимание, что после потери этого протона на сопряженном основании все еще остаются кислые протоны. Это означает, что конъюгатное основание может действовать как кислота в другом равновесии:

H2PO4– ? HPO 4 2- + H+

И еще раз, на (втором) сопряженном основании все еще остается кислотный протон. Таким образом, может произойти последнее депротонирование:

HPO42- ? PO43-+ H+

Только что произошло три депротонизации, потому что исходная молекула, фосфорная кислота, является трипротонной.

В трипротовой кислоте какой Ka имеет наибольшее значение?
Кислотность полипротонных кислот проста: каждый протон менее кислый, чем предыдущий. Это может быть представлено численно значениями ka или pKa для каждого последующего вида. Напомним, что Ka - это константа равновесия для кислотно-щелочной реакции: чем она больше, тем сильнее кислота.

H3PO4 ? H2PO4– + H+ K a1 = 6,9 х 10-3

H 2 PO 4– ? HPO 4 2-+ H + K a2 = 6,2 х 10-8

HPO 4 2- ? PO 4 3- + H + K a3 = 4,8 х 10-13

Между первым и вторым депротонированием Ka падает почти на 5 порядков! Это означает, что первый протон был в 100 000 раз более кислым, чем второй. Между вторым и третьим депротонированием Ka снизился БОЛЕЕ чем на 5 порядков. Это означает, что первый протон фосфорной кислоты примерно в 10 миллиардов раз более кислый, чем его третий. Обычно довольно сложно удалить последний протон из дипротонной или трипротонной кислоты.

Не стесняйтесь просматривать и замечать, что каждая полипротонная кислота имеет больше K a1, чем K a2, что больше, чем K a3, и так далее. Если вы решите использовать pK a вместо этого, помните, что более высокое значение pK a означает более низкую кислотность, противоположную ka.

Являются ли дипротонные кислоты более сильными, чем монопротонные кислоты?
Не обязательно. Количество кислых атомов водорода в молекуле не имеет ничего общего с тем, насколько кислыми являются эти атомы водорода (или, в частности, насколько кислым является САМЫЙ кислый). Соляная кислота (монопротонная) намного сильнее фосфорной кислоты (трипротонной), а серная кислота (дипротонная) намного сильнее плавиковой кислоты (монопротонной). По сути, количество атомов водорода не имеет значения.

Кривая титрования полипротоновой кислоты
Ранее мы узнали, что, когда полипротонная кислота теряет свой первый протон, она образует новую слабую кислоту. Это важно помнить при проведении титрования, возможно, наиболее распространенного и важного метода в кислотно-щелочной химии. Поскольку новообразованная кислота (сопряженное основание исходной кислоты) может терять свои протоны, кривые титрования для полипротонных кислот выглядят как несколько “нормальных” (монопротонных) кривых титрования, присоединенных друг к другу, по одной для каждого кислотного протона. Рассмотрим приведенную ниже кривую, представляющую дипротонную кислоту (такую как серная кислота), титруемую сильным основанием.

На этой кривой есть четыре характерные точки, обозначенные A, B, C и D.

Точка А
В точке А было добавлено 0,5 моля основания, что означает, что половина дипротонной кислоты депротонирована. Означает ли это, что в половине кислоты не осталось протонов? НЕТ! Это означает, что половина кислоты потеряла один протон, и еще один остался. Другая половина имеет оба своих протона. На этом этапе раствор представляет собой буфер. Смотрите связанную статью, чтобы узнать, что такое буферный раствор. Раствор представляет собой буфер, поскольку половина исходной кислоты была преобразована в ее конъюгатное основание. Точку А можно назвать областью буферизации, в частности, первой областью буферизации, поскольку там будет вторая.

Точка В
В точке B был добавлен 1 моль сильного основания. Напомним, что первый протон всегда более кислый, чем второй. Это означает, что ВСЯ исходная кислота потеряла свой первый протон и ТОЛЬКО свой первый протон. Точка B считается точкой эквивалентности. В отличие от обычного титрования, при котором используется только одна точка эквивалентности, титрования полипротонных кислот будут иметь несколько, каждое из которых соответствует полной потере каждого последующего кислотного протона.

Точка С
На этом этапе половина анализируемого вещества потеряла оба своих протона, а у половины еще остался один. Поскольку это смесь кислоты и конъюгата 50/50, она считается буфером.

Точка D
Точка D является второй (и последней) точкой эквивалентности. В точке D вся исходная кислота полностью депротонирована и преобразована в основание.