Слабая база

Основания дают растворы, в которых активность иона водорода ниже, чем он находится в чистой воде, т. е. считается, что раствор имеет pH более 7,0 при стандартных условиях, потенциально достигает 14 (и даже больше 14 для некоторых оснований). Формула для определения pH:

$pH\; =\; -\; log\; 10\; \; [H\; +]\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; t\_dv\; \{pH\}\}\; =\; -\; \backslash \; log\; \_\; \{10\}\; \backslash \; left\; [\{\backslash \; t\_dv\; \{H\}\}\; ^\; \{+\; \}\; \backslash \; right]\}$

Основания - это акцепторы протонов ; основание получит ион водорода из воды, H 2 O, и оставшаяся концентрация H в растворе определяет pH. Слабое основание будет иметь более высокую концентрацию H, чем более сильное основание, потому что оно менее полно протонировано, чем более сильное основание, и, следовательно, в его растворе остается больше ионов водорода. Учитывая более высокую концентрацию H, формула дает более низкое значение pH для слабого основания. Однако pH оснований обычно рассчитывается через концентрацию ОН. Это сделано потому, что концентрация H не является частью реакции, в то время как концентрация OH. POH определяется как:

$pOH\; =\; -\; log\; 10\; \; [OH\; -]\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; t\_dv\; \{pOH\}\}\; =\; -\; \backslash \; log\; \_\; \{10\}\; \backslash \; left\; [\{\backslash \; t\_dv\; \{OH\}\}\; ^\; \{-\; \}\; \backslash \; right]\}$

Если мы умножим константы равновесия сопряженной кислоты (например, NH 4) и сопряженного основания (например, NH 3) получаем:

$K\; a\; \times \; K\; b\; =\; [H\; 3\; O\; +]\; [NH\; 3]\; [NH\; 4\; +]\; \times \; [NH\; 4\; +]\; [OH\; -]\; [NH\; 3]\; =\; [H\; 3\; O\; +]\; [ОН\; -]\; \{\backslash \; displaystyle\; K\_\; \{a\}\; \backslash \; times\; K\_\; \{b\}\; =\; \{[H\_\; \{3\}\; O\; ^\; \{+\}]\; [NH\_\; \{3\}]\; \backslash \; over\; [NH\_\; \{4\}\; ^\; \{+\}]\}\; \backslash \; раз\; \{[NH\_\; \{4\}\; ^\; \{+\}]\; [OH\; ^\; \{-\}]\; \backslash \; over\; [NH\_\; \{3\}]\}\; =\; [H\_\; \{3\}\; O\; ^\; \{+\}]\; [OH\; ^\; \{-\}]\}$

As $К\; вес\; =\; [H\; 3\; O\; +]\; [OH\; -]\; \{\backslash \; displaystyle\; \{K\_\; \{w\}\}\; =\; [H\_\; \{3\}\; O\; ^\; \{+\}]\; [OH\; ^\; \{-\}]\}$- это просто константа самоионизации воды, мы имеем $K\; a\; \times \; K\; b\; =\; K\; w\; \{\backslash \; displaystyle\; K\_\; \{a\}\; \backslash \; times\; K\_\; \{b\}\; =\; K\_\; \{w\}\}$

Логарифмирование обеих частей уравнения дает:

$log\; K\; a\; +\; log\; K\; b\; =\; log\; K\; w\; \{\backslash \; displaystyle\; logK\_\; \{a\}\; +\; logK\_\; \{b\}\; =\; logK\_\; \{w\}\}$

Наконец, умножая обе стороны на -1, получаем:

$p\; K\; a\; +\; p\; K\; b\; =\; p\; K\; w\; =\; 14.00\; \{\backslash \; displaystyle\; pK\_\; \{a\}\; +\; pK\_\; \{b\}\; =\; pK\_\; \{w\}\; =\; 14,00\}$

Для pOH, полученного по формуле pOH, приведенной выше, pH основания может быть затем рассчитан из $p\; H\; =\; p\; K\; w\; -\; p\; OH\; \{\backslash \; displaystyle\; pH\; =\; pK\_\; \{w\}\; -pOH\}$, где pK w = 14,00.

Слабое основание сохраняется в химическом равновесии почти так же, как слабая кислота, с константой диссоциации основания (Kb), что указывает на прочность основания. Например, когда аммиак помещается в воду, устанавливается следующее равновесие:

$K\; b\; =\; [NH\; 4\; +]\; [OH\; -]\; [NH\; 3]\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mathrm\; \{K\_\; \{b\}\; =\; \{[NH\_\; \{4\}\; ^\; \{+\}]\; [OH\; ^\; \{-\}]\; \backslash \; over\; [NH\_\; \{3\}]\}\}\}$

База с большим K b ионизируется более полно и, таким образом, более сильная база. Как показано выше, pH раствора, который зависит от концентрации H, увеличивается с увеличением концентрации OH; большая концентрация ОН означает меньшую концентрацию Н, следовательно, более высокий pH. Сильные основания имеют меньшую концентрацию H, потому что они более полно протонированы, оставляя меньше ионов водорода в растворе. Меньшая концентрация H означает большую концентрацию OH и, следовательно, более высокий K b и больший pH.

NaOH (гидроксид натрия) является более сильным основанием, чем (CH 3CH2)2NH (l) (диэтиламин ), который является более сильным основанием, чем NH 3 (g) (аммиак). По мере ослабления оснований значения K b становятся меньше.

Как видно выше, сила основание зависит в первую очередь от pH. Чтобы описать сильные стороны слабых оснований, полезно знать процент протонированных молекул - процент протонированных молекул основания. Более низкий процент будет соответствовать более низкому pH, потому что оба числа являются результатом количества Слабое основание протонировано в меньшей степени, что приводит к более низкому pH и более низкому проценту протонированных.

Типичное равновесие переноса протона выглядит так:

$B\; (водн.)\; +\; H\; 2\; O\; (l)\; \leftrightarrow \; HB\; +\; (водный\; раствор)\; +\; OH\; -\; (водный\; раствор)\; \{\backslash \; displaystyle\; B\; (aq)\; +\; H\_\; \{2\}\; O\; (l)\; \backslash \; leftrightarrow\; HB\; ^\; \{+\}\; (водный\; раствор)\; +\; OH\; ^\; \{-\}\; (водный\; раствор)\}$

B представляет собой основание.

$Процент\; протонированных\; частиц\; =\; молярность\; HB\; +\; начальный\; молярит\; yof\; B\; \times \; 100\%\; =\; [HB\; +]\; [B]\; начальный\; \times \; 100\%\; \{\backslash \; displaystyle\; Percentage\; \backslash \; protonated\; =\; \{молярность\; \backslash \; of\; \backslash \; HB\; ^\; \{+\}\; \backslash \; over\; \backslash \; initial\; \backslash \; molarity\; \backslash \; of\; \backslash \; B\}\; \backslash \; times\; 100\; \backslash \%\; =\; \{[\{HB\}\; ^\; \{+\}]\; \backslash \; over\; [B]\; \_\; \{initial\}\}\; \{\backslash \; times\; 100\; \backslash \%\}\}$

В этой формуле [B] initial - начальный моляр концентрация основания, предполагая, что протонирование не произошло.

Рассчитайте pH и процент протонирования 20 M водного раствора пиридина, C 5H5N. K b для C 5H5N составляет 1,8 x 10.

Сначала запишите равновесие переноса протона:

$H\; 2\; O\; (l)\; +\; C\; 5\; H\; 5\; N\; (\; водный\; раствор)\; \leftrightarrow \; С\; 5\; ЧАС\; 5\; NH\; +\; (водный\; раствор)\; +\; ОН\; -\; (водный\; раствор)\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mathrm\; \{H\_\; \{2\}\; O\; (l)\; +\; C\_\; \{5\}\; H\_\; \{5\}\; N\; (водный\; раствор)\; \backslash \; leftrightarrow\; C\_\; \{5\; \}\; H\_\; \{5\}\; NH\; ^\; \{+\}\; (водн.)\; +\; OH\; ^\; \{-\}\; (водн.)\}\}$

$K\; b\; =\; [C\; 5\; H\; 5\; NH\; +]\; [OH\; -]\; [C\; 5\; H\; 5\; N]\; \{\; \backslash \; displaystyle\; K\_\; \{b\}\; =\; \backslash \; mathrm\; \{[C\_\; \{5\}\; H\_\; \{5\}\; NH\; ^\; \{+\}]\; [OH\; ^\; \{-\}]\; \backslash \; over\; [C\_\; \{5\}\; H\_\; \{5\}\; N]\}\}$

Таблица равновесия со всеми концентрациями в молях на литр:

Подставляем равновесные молярности в константу основности	$K\; b\; =\; 1.8\; \times \; 10\; -\; 9\; =\; x\; \times \; x.20\; -\; x\; \{\backslash \; displaystyle\; K\_\; \{b\}\; =\; \backslash \; mathrm\; \{1.8\; \backslash \; times\; 10\; ^\; \{-\; 9\}\}\; =\; \{x\; \backslash \; times\; x\; \backslash \; over.20-x\}\}$
Мы можем предположить, что x настолько мало, что станет бессмысленным к тому времени, когда мы будем использовать значащие цифры.	$1,8\; \times \; 10\; -\; 9\; \approx \; x\; 2.20\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mathrm\; \{1.8\; \backslash \; times\; 10\; ^\; \{-\; 9\}\}\; \backslash \; приблизительно\; \{x\; ^\; \{2\}\; \backslash \; over.20\}\}$
Найдите x.	$x\; \approx \; 0,20\; \times \; (1,8\; \times \; 10–9)\; =\; 1,9\; \times \; 10–5\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mathrm\; \{x\}\; \backslash \; приблизительно\; \{\backslash \; sqrt\; \{.20\; \backslash \; times\; (1,8\; \backslash \; times\; 10\; ^\; \{-\; 9\})\; \}\}\; =\; 1,9\; \backslash \; times\; 10\; ^\; \{-\; 5\}\}$
Проверьте предположение, что x <<.20	$1.9\; \times \; 10\; -\; 5\; \ll .20\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mathrm\; \{1\}.9\; \backslash \; times\; 10\; ^\; \{-\; 5\}\; \backslash \; ll.20\}$; поэтому приближение верно
Найдите pOH из pOH = -log [OH] с [OH] = x	$p\; OH\; \approx \; -\; log\; (1.9\; \times \; 10-5)\; =\; 4.7\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mathrm\; \{p\}\; OH\; \backslash \; приблизительно\; -log\; (1,9\; \backslash \; times\; 10\; ^\; \{-\; 5\})\; =\; 4,7\}$
Из pH = pK w - pOH,	$p\; H\; \approx \; 14,00\; -\; 4,7\; =\; 9,3\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mathrm\; \{p\}\; H\; \backslash \; приблизительно\; 14,00-4,7\; =\; 9,3\}$
Из уравнения для процента протонированных с [HB] = x и [B] начальное = 0,20,	$процент\; протонированных\; =\; 1,9\; \times \; 10–5.20\; \times \; 100\%\; =.0095\%\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mathrm\; \{p\}\; ercentage\; \backslash \; protonated\; =\; \{1,9\; \backslash \; times\; 10\; ^\; \{-\; 5\}\; \backslash \; более.20\}\; \backslash \; times\; 100\; \backslash \%\; =.\; 0095\; \backslash \%\}$

Это означает, что 0,0095% пиридина находится в протонированной форме C 5H5NH.

• Аланин
• Аммиак, NH 3
• Метиламин, CH 3NH2
• Гидроксид аммония, NH 4OH

• Пример слабое основание - аммиак. Он не содержит гидроксид-ионы, но реагирует с водой с образованием ионов аммония и гидроксид-ионов.
• Положение равновесия меняется от основания к основанию, когда слабое основание реагирует с водой. Чем дальше влево, тем слабее основание.
• Когда существует градиент ионов водорода между двумя сторонами биологической мембраны, концентрация некоторых слабых оснований сосредоточена только на одной стороне мембраны. Слабые основания склонны накапливаться в кислых жидкостях. Кислый желудок содержит более высокую концентрацию слабого основания, чем плазма. Кислая моча, по сравнению с щелочной мочой, выделяет слабые основания более быстрыми темпами.

• Сильное основание
• Слабая кислота

• Руководство по слабым основаниям из Джорджтаунских примечаний к курсу
• Статья о кислотности растворов слабых оснований из Intute