Конъюгат (кислотно-основная теория)

Сопряженная кислота в рамках кислотно-основной теории Бренстеда-Лоури представляет собой химическое соединение, образующееся, когда кислота отдает протон ( ЧАС ⁺) к основанию — другими словами, это основание с добавленным к нему ионом водорода , так как оно теряет ион водорода в обратной реакции. С другой стороны, сопряженное основание — это то, что остается после того, как кислота отдала протон во время химической реакции. Следовательно, сопряженное основание — это вещество, образующееся при отрыве протона от кислоты, поскольку в обратной реакции оно может получить ион водорода. ^[1] Поскольку некоторые кислоты могут давать несколько протонов, сопряженное основание кислоты само по себе может быть кислым.

Кратко это можно представить в виде следующей химической реакции : ${\text{acid}}+{\text{base}}\;{\ce {<=>}}\;{\text{conjugate base}}+{\text{conjugate acid}}$

Йоханнес Николаус Брёнстед (слева) и Мартин Лоури (справа).

Йоханнес Николаус Брёнстед и Мартин Лоури представили теорию Брёнстеда-Лоури, согласно которой любое соединение, которое может отдать протон другому соединению, является кислотой, а соединение, которое принимает протон, является основанием. Протон — это субатомная частица в ядре с единичным положительным электрическим зарядом. Он представлен символом ЧАС ⁺ потому что у него есть ядро водорода атома , ^[2] то есть катион водорода .

Катион может быть сопряженным может быть сопряженной кислотой, а анион основанием, в зависимости от того, какое вещество участвует и какая кислотно-основная теория используется. Простейшим анионом, который может быть сопряженным основанием, является свободный электрон в растворе , сопряженной кислотой которого является атомарный водород.

Кислотно-основные реакции

В кислотно-основной реакции кислота и основание реагируют с образованием сопряженного основания и сопряженной кислоты соответственно. Кислота теряет протон, а основание приобретает протон. На диаграммах, которые это указывают, новая связь, образующаяся между основанием и протоном, показана стрелкой, которая начинается на электронной паре основания и заканчивается на ионе водорода (протоне), который будет перенесен: В данном случае молекула воды представляет собой кислоту, сопряженную с основным гидроксид-ионом после того, как последний получил ион водорода от аммония . С другой стороны, аммиак является сопряженным основанием для кислого аммония после того, как аммоний отдал ион водорода для образования молекулы воды. А ещё, ОХ ⁻ можно рассматривать как сопряженное основание H
₂ O , поскольку молекула воды отдает протон, образуя NH ⁺
₄ в обратной реакции. Термины «кислота», «основание», «сопряженная кислота» и «сопряженное основание» не являются фиксированными для определенного химического вещества, но могут быть заменены местами, если протекающая реакция обращена вспять.

Сила конъюгатов

Сила сопряженной кислоты пропорциональна ее константе расщепления . Более сильная сопряженная кислота будет легче расщепляться на продукты, «отталкивать» протоны водорода и иметь более высокую константу равновесия . Силу сопряженного основания можно рассматривать как его склонность «притягивать» протоны водорода к себе. Если сопряженное основание классифицируется как сильное, оно будет «удерживать» протон водорода при растворении, и его кислота не будет расщепляться.

Если химическое вещество является сильной кислотой, сопряженное с ним основание будет слабым. ^[3] Примером этого случая может служить расщепление соляной кислоты HCl в воде. Поскольку HCl является сильной кислотой (она в значительной степени расщепляется), то сопряженное с ней основание ( Cl ⁻
) будет слабым. Следовательно, в этой системе большинство H ⁺
будут гидроксония ионы H
₃3О ⁺
вместо прикрепления к Cl ⁻ анионы и сопряженные основания будут слабее молекул воды.

С другой стороны, если химическое вещество представляет собой слабую кислоту, его сопряженное основание не обязательно будет сильным. Учтите, что этаноат, сопряженное основание этаноловой кислоты, имеет константу расщепления основания (Kb) примерно 5,6 × 10. ⁻¹⁰, что делает его слабой базой.Чтобы вид имел сильное сопряженное основание, он должен быть очень слабой кислотой, например водой.

Идентификация сопряженных кислотно-основных пар

Чтобы идентифицировать сопряженную кислоту, найдите пару родственных соединений. Кислотно -основную реакцию можно рассматривать в смысле «до» и «после». То, что было раньше, — это реагентная часть уравнения, а то, что было после, — это часть уравнения, являющаяся продуктом. Сопряженная кислота в последней части уравнения получает ион водорода, поэтому в передней части уравнения соединение, у которого на один ион водорода меньше, чем у сопряженной кислоты, является основанием. Сопряженное основание в последней части уравнения потеряло ион водорода, поэтому в передней части уравнения соединение, которое имеет еще один ион водорода сопряженного основания, является кислотой.

Рассмотрим следующую кислотно-основную реакцию:

ХНО
₃ + Ч
₂ О → Ч
₃3О ⁺
+ НЕТ ⁻
₃

Азотная кислота ( HNO
₃ ) является кислотой , поскольку она отдает протон молекуле воды, а ее сопряженное основание — нитрат ( NO ⁻
₃ ). Молекула воды действует как основание, поскольку она принимает катион водорода (протон), а ее сопряженная кислота представляет собой ион гидроксония ( H
₃3О ⁺
).

Уравнение	Кислота	База	Сопряженная база	Конъюгатная кислота
HClO ₂ + Ч ₂ О → ClO ⁻ ₂ + Ч ₃3О ⁺	HClO ₂	ЧАС ₂2О	ClO ⁻ ₂	ЧАС ₃3О ⁺
ClO ⁻ + Ч ₂ О → HClO + ОН ⁻	ЧАС ₂2О	ClO ⁻	ОЙ ⁻	HClO
HCl + Н ₂ ПО ⁻ ₄ → Кл ⁻ + Ч ₃3ПО ₄	HCl	ЧАС ₂ ПО ⁻ ₄	кл. ⁻	ЧАС ₃3ПО ₄

Приложения

Одно из применений сопряженных кислот и оснований заключается в буферных системах, которые включают буферный раствор . В буфере используются слабая кислота и сопряженное с ней основание (в форме соли) или слабое основание и сопряженная с ним кислота, чтобы ограничить изменение pH в процессе титрования. Буферы имеют как органическое, так и неорганическое химическое применение. Например, помимо буферов, используемых в лабораторных процессах, человеческая кровь действует как буфер для поддержания pH. Самым важным буфером в нашем кровотоке является углекислотно-бикарбонатный буфер , который предотвращает резкие изменения pH при воздействии CO.
₂ представлен. Это функционирует следующим образом: ${\ce {CO2 + H2O <=> H2CO3 <=> HCO3^- + H+}}$

Кроме того, вот таблица общих буферов.

Буферный агент	пк _а	Полезный диапазон pH
Лимонная кислота	3.13, 4.76, 6.40	2.1 - 7.4
Уксусная кислота	4.8	3.8 - 5.8
КХ ₂ ПО ₄	7.2	6.2 - 8.2
ЧЭС	9.3	8.3–10.3
Борат	9.24	8.25 - 10.25

Вторым распространенным применением органических соединений является производство буфера с уксусной кислотой. Если уксусная кислота, то слабая кислота с формулой CH
₃ COOH был превращен в буферный раствор, его необходимо будет объединить с сопряженным основанием CH.
₃ операционный директор ⁻
в виде соли. Полученная смесь называется ацетатным буфером, состоящим из водного CH.
₃ COOH и водный CH
₃ КУНа . Уксусная кислота, наряду со многими другими слабыми кислотами, служит полезным компонентом буферов в различных лабораторных условиях, каждый из которых полезен в своем диапазоне pH.

Раствор лактата Рингера является примером того, как сопряженное основание органической кислоты, молочной кислоты , CH
₃ СН(ОН)СО ⁻
₂ соединяется с катионами натрия, кальция и калия и анионами хлорида в дистиллированной воде. ^[4] которые вместе образуют жидкость, изотоническую по отношению к человеческой крови и используемую для жидкостной реанимации после кровопотери вследствие травмы , хирургического вмешательства или ожога . ^[5]

Таблица кислот и сопряженных с ними оснований

Ниже приведены несколько примеров кислот и соответствующих им сопряженных оснований; обратите внимание, как они отличаются всего на один протон (H ⁺ ион). Сила кислоты уменьшается, а сила сопряженных оснований увеличивается по таблице.

Кислота	Сопряженная база
ЧАС ₂2F ⁺ фторония Ион	HF Фторид водорода
HCl Соляная кислота	кл. ⁻ Хлорид- ион
H ₂ SO ₄ Серная кислота	HSO ⁻ ₄ Сульфат- ион ( бисульфат -ион)
HNO ₃ Азотная кислота	НЕТ ⁻ ₃ Нитрат- ион
H₃H3O ⁺ гидроксония Ион	Н ₂ О Вода
HSO ⁻ ₄ сульфата водорода Ион	ТАК ²⁻ ₄ Сульфат- ион
H ₃ PO ₄ Фосфорная кислота	Н ₂ ПО ⁻ ₄ дигидрофосфата ион
CH ₃ COOH Уксусная кислота	CH ₃ COO ⁻ Ацетат- ион
HF плавиковая кислота	Ф ⁻ Фторид- ион
H ₂ CO ₃ Угольная кислота	ОЗС ⁻ ₃ гидрокарбоната Ион
H ₂ S Сероводородная кислота	HS ⁻ Гидросульфид- ион
Н ₂ ПО ⁻ ₄ дигидрофосфата ион	ГПО ²⁻ ₄ фосфата водорода Ион
Нью-Хэмпшир ⁺ ₄ аммония Ион	NH3 Аммиак
H ₂ O Вода ( pH =7)	ОЙ ⁻ Гидроксид- ион
ОЗС ⁻ ₃ Гидрокарбонат (бикарбонат) ион	СО ²⁻ ₃ Карбонат- ион

Таблица оснований и сопряженных с ними кислот

Напротив, вот таблица оснований и сопряженных с ними кислот. Аналогично, сила основания уменьшается, а сила сопряженной кислоты увеличивается вниз по таблице.

База	Конъюгатная кислота
С ₂2Ч ₅ НХ ₂ Этиламин	С ₂2Ч ₅ НХ ⁺ ₃ этиламмония Ион
СН ₃3НХ ₂ Метиламин	СН ₃3НХ ⁺ ₃ метиламмония Ион
Нью-Хэмпшир ₃ Аммиак	Нью-Хэмпшир ⁺ ₄ аммония Ион
С ₅5Ч ₅ Н Пиридин	С ₅5Ч ₆ Н ⁺ Пиридиний
С ₆6Ч ₅ НХ ₂ Анилин	С ₆6Ч ₅ НХ ⁺ ₃ фениламмония Ион
С ₆6Ч ₅ СО ⁻ ₂ Бензоат- ион	С ₆6Ч ₆ СО ₂ Бензойная кислота
Ф ⁻ Фторид- ион	HF Фторид водорода
PO ³⁻ ₄ фосфат- ион	ГПО ²⁻ ₄ фосфата водорода Ион
ОЙ ⁻ Гидроксид- ион	H ₂ O Вода (нейтральная, pH 7)
ОЗС ⁻ ₃ Бикарбонат	ЧАС ₂2CO ₃ Угольная кислота
СО ²⁻ ₃ Карбонат-ион	ОЗС ⁻ ₃ Бикарбонат
Бр ⁻ Бромид -ион	HBr бромоводород
ГПО ²⁻ ₄ Фосфат водорода	ЧАС ₂ ПО ⁻ ₄ дигидрофосфата ион
кл. ⁻ Хлорид- ион	HCl Хлороводород
ЧАС ₂ О Вода	ЧАС ₃3О ⁺ гидроксония Ион
${\ce {NO2-}}$ Нитрит- ион	${\ce {HNO2}}$ Азотистая кислота

См. также

Ссылки

^ Зумдал, Стивен С., и Зумдал, Сьюзан А. Химия . Хоутон Миффлин, 2007 г., ISBN 0618713700
^ «Теория Бренстеда – Лоури | химия» . Британская энциклопедия . Проверено 25 февраля 2020 г.
^ «Урок химии сопряженных кислот и оснований» . www.ausetute.com.au . Проверено 25 февраля 2020 г.
^ Британский национальный формуляр: BNF 69 (69-е изд.). Британская медицинская ассоциация. 2015. с. 683. ИСБН 9780857111562 .
^ Пестана, Карлос (7 апреля 2020 г.). Хирургические заметки Пестаны (Пятое изд.). Подготовка к медицинскому тестированию Каплана. стр. 4–5. ISBN 978-1506254340 .

Внешние ссылки

[1] Зумдал, Стивен С., и Зумдал, Сьюзан А. Химия . Хоутон Миффлин, 2007 г., ISBN 0618713700

[2] «Теория Бренстеда – Лоури | химия» . Британская энциклопедия . Проверено 25 февраля 2020 г.

[Conjugate_Strength-3] «Урок химии сопряженных кислот и оснований» . www.ausetute.com.au . Проверено 25 февраля 2020 г.

[BNF69-4] Британский национальный формуляр: BNF 69 (69-е изд.). Британская медицинская ассоциация. 2015. с. 683. ИСБН 9780857111562 .

[PestanaFifth-5] Пестана, Карлос (7 апреля 2020 г.). Хирургические заметки Пестаны (Пятое изд.). Подготовка к медицинскому тестированию Каплана. стр. 4–5. ISBN 978-1506254340 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]