Диссоциация многоосновных кислот
Многоосновные кислоты содержат два или более атома водорода, способных замещаться металлом или другими катионами. В водном растворе такие кислоты диссоциируют ступенчато: ионы водорода отщепляются последовательно, а каждая ступень записывается отдельным обратимым равновесием.
Что такое многоосновная кислота
Многоосновная кислота — электролит, молекула которого содержит два или более атома водорода, способных замещаться атомами металла или катионами. Число таких атомов водорода называют основностью кислоты.
Примеры: серная кислота \(\mathrm{H_2SO_4}\) — двухосновная, сернистая кислота \(\mathrm{H_2SO_3}\) — двухосновная, фосфорная кислота \(\mathrm{H_3PO_4}\) — трёхосновная. Одноосновные кислоты, например \(\mathrm{HCl}\) или \(\mathrm{HNO_3}\), отдают только один ион водорода и не диссоциируют ступенчато.
Важно отличать основность кислоты от числа атомов водорода в формуле. Например, в уксусной кислоте \(\mathrm{CH_3COOH}\) четыре атома водорода, но только водород в группе \(\mathrm{-COOH}\) является кислотным. Поэтому уксусная кислота одноосновная.
Найдите атомы водорода, которые могут замещаться металлом. В неорганических кислородсодержащих кислотах обычно учитывают водороды в гидроксильных группах \(\mathrm{-OH}\), а не водород, непосредственно связанный с центральным атомом.
Ступенчатая диссоциация
При диссоциации первая ступень начинается с молекулы кислоты. На каждой следующей ступени от аниона отщепляется ещё один ион водорода. Заряд аниона после каждой ступени увеличивается на единицу, а число атомов водорода уменьшается на единицу.
Для двухосновной кислоты \(\mathrm{H_2A}\) общий процесс можно представить как сумму двух равновесий:
Суммарное уравнение имеет вид \(\mathrm{H_2A \rightleftharpoons 2H^+ + A^{2-}}\), но для объяснения состава раствора и решения расчётных задач полезнее сохранять запись по ступеням.
Каждая последующая ступень диссоциации многоосновной кислоты обычно протекает слабее предыдущей: \(K_1 > K_2 > K_3\). Отщепить положительно заряженный ион \(\mathrm{H^+}\) от уже отрицательно заряженного аниона труднее, чем от нейтральной молекулы.
Поэтому в растворе многоосновной кислоты обычно больше частиц, образованных на первой ступени, чем частиц, образованных на второй и последующих ступенях. Это не означает, что следующие ступени отсутствуют: при записи равновесий их учитывают.
Какая частица образуется на второй ступени диссоциации фосфорной кислоты?
Примеры записи равновесий
Для серной кислоты записывают две ступени. Первая в школьных задачах часто считается практически полной, а вторая является равновесной:
Стрелка \(\rightarrow\) допустима для сильного электролита, если диссоциацию считают практически полной. Для слабых электролитов и для последующих ступеней используют знак равновесия \(\rightleftharpoons\).
Для сернистой кислоты обе ступени записывают как равновесия:
Для трёхосновной фосфорной кислоты последовательность такова:
В последующих задачах ион \(\mathrm{H_2PO_4^-}\) может участвовать в реакциях как кислота, отдавая \(\mathrm{H^+}\), или как частица, способная присоединить \(\mathrm{H^+}\). Такие частицы называют амфипротными; их свойства полезно рассматривать вместе с ионными свойствами амфотерных соединений, хотя кислые и основные свойства здесь проявляются у иона.
| Кислота | 1-я ступень | 2-я ступень | 3-я ступень |
|---|---|---|---|
| \(\mathrm{H_2SO_4}\) | \(\mathrm{H^+ + HSO_4^-}\) | \(\mathrm{H^+ + SO_4^{2-}}\) | — |
| \(\mathrm{H_2SO_3}\) | \(\mathrm{H^+ + HSO_3^-}\) | \(\mathrm{H^+ + SO_3^{2-}}\) | — |
| \(\mathrm{H_3PO_4}\) | \(\mathrm{H^+ + H_2PO_4^-}\) | \(\mathrm{H^+ + HPO_4^{2-}}\) | \(\mathrm{H^+ + PO_4^{3-}}\) |
Разобранный пример: определить ионы и записать ступени
Запишите ступенчатую диссоциацию \(\mathrm{H_3PO_4}\) и определите заряд аниона после второй ступени.
Проверять запись удобно по сохранению атомов и заряда. Например, во второй ступени слева заряд \(-1\), справа сумма зарядов \(+1+(-2)=-1\). Число атомов каждого элемента также одинаково.
Как применять диссоциацию в ионных уравнениях
При составлении полного ионного уравнения растворимые сильные электролиты записывают в виде ионов. Для многоосновной кислоты важно не заменять ступенчатую диссоциацию механически одной записью: состав раствора зависит от условий и от силы каждой ступени.
В реакциях нейтрализации ион \(\mathrm{H^+}\) взаимодействует с гидроксид-ионом воды. Основное ионное уравнение нейтрализации рассматривается на странице ионное уравнение нейтрализации. Если кислота отдаёт несколько протонов, количество щёлочи зависит от числа нейтрализуемых ионов водорода.
Соли многоосновных кислот также могут быть средними или кислыми. Например, \(\mathrm{NaHCO_3}\) содержит кислый остаток, который способен дальше диссоциировать. Подробная запись таких процессов приведена на странице диссоциация кислых солей. При составлении ионных уравнений также необходимо пользоваться правилами расстановки коэффициентов в ионных уравнениях.
1. Записывать все ступени одним необратимым уравнением. 2. Путать заряд частицы: после каждого отщепления \(\mathrm{H^+}\) заряд остатка уменьшается на единицу. 3. Писать \(\mathrm{H_3PO_4 \rightarrow 3H^+ + PO_4^{3-}}\) вместо трёх последовательных равновесий. 4. Считать все атомы водорода в органической кислоте кислотными. 5. Забывать, что \(K_1>K_2>K_3\), и считать последнюю ступень самой сильной.
Для фосфорной кислоты: \(\mathrm{H_3PO_4 \rightleftharpoons H^+ + H_2PO_4^-}\); \(\mathrm{H_2PO_4^- \rightleftharpoons H^+ + HPO_4^{2-}}\); \(\mathrm{HPO_4^{2-} \rightleftharpoons H^+ + PO_4^{3-}}\).
Проверка знаний
Quick-test
Главное
- Многоосновные кислоты содержат несколько кислотных атомов водорода и диссоциируют ступенчато.
- На каждой ступени отщепляется один ион \(\mathrm{H^+}\), а заряд аниона увеличивается по модулю на единицу.
- Для фосфорной кислоты образуются последовательно \(\mathrm{H_2PO_4^-}\), \(\mathrm{HPO_4^{2-}}\) и \(\mathrm{PO_4^{3-}}\).
- Обычно \(K_1>K_2>K_3\), поэтому первая ступень протекает легче последующих.
- При проверке равенств контролируйте число атомов и суммарный заряд слева и справа.