Dysocjacja słabych elektrolitów jako proces równowagowy

1. Kwasy dzielimy na mocne i słabe

Wiemy już, że kwasy dzielimy na mocne i słabe, a to wszystko ma związek z tym jak kwas zachowuje się w wodzie. Jeżeli kwas dysocjuje w pełni, czyli w stu procentach, to kwas był mocny. Jeżeli natomiast był on słaby, to dysocjował w kilku, kilkunastu procentach (generalnie w mniej niż stu).

Na pewno pamiętasz (chcesz sobie przypomnieć?), że zaznaczaliśmy to dodatkowo używając specjalnego rodzaju strzałek reakcji. Strzałka ⟶ oznaczała, że reakcja (dysocjacja) zachodzi całkowicie, natomiast strzałka ⇄ oznaczała, że reakcja zachodziła tylko w jakimś stopniu.

Obrazek posiada pusty atrybut alt; plik o nazwie strzalka-zwykla-vs-strzalki-rownowagowe-1.jpg
Dwie strzałki reakcji, jakie spotkamy w chemii.

I faktycznie w przypadku kwasu solnego należy użyć jednej strzałki, a np. dla słabego kwasu fluorowodorowego używamy dwóch strzałek :

HCl ⟶ H+ + Cl lub zapis dokładny : HCl + H2O ⟶ H3O+ + Cl

Mocny kwas dysocjuje w stu procentach (całkowicie)

Czas na słaby kwas :

HF ⇄ H+ + F lub zapis dokładny : HF + H2O ⇄ H3O+ + F

Slaby kwas dysocjuje tylko w części

2. Miarą mocy kwasu jest stała kwasowa

Jak już doskonale wiesz z równowagi chemicznej, w sytuacji, gdy mamy do czynienia z reakcją odwracalną (⇄), aby cokolwiek tam obliczyć (ile jest danego reagenta), potrzebujemy tak zwanej stałej równowagi, o której możesz przeczytać tutaj.

W przypadku dysocjacji kwasu stała równowagi, która opisuje tą dysocjację nazywa się stałą kwasową i oznaczana jest symbolem Ka . I tak, dla kwasu HF mamy[1] :

HF ⇄ H+ + F

\displaystyle K_{a} = \frac{[H^{+}][F^{-}]}{[HF]}

Zawsze warto rozpoczynać od tego zadania obliczeniowe – najpierw rozpisz równania reakcji, a potem zapisz wyrażenie na odpowiednią stałą równowagi.

Dość łatwo zauważyć, że im wyższa wartość Ka tym więcej będzie jonów H+ w stanie równowagi, a to oczywiście oznacza, że kwas jest mocniejszy.

Dla osób, które nie do końca lubią się z matematyką jeszcze słówko wyjaśnienia powyższej zależności :

Powyższe rozumowanie zawsze jesteś w stanie przeprowadzić samodzielnie! Matematyka nie może blokować Cię na chemii!

W chemii bardzo często używa się także pKa, która jak już się domyślasz jest ujemnym logarytmem ze stałej kwasowej.

Def. pKa = − log Ka

Zawsze dość wkurzające jest to, że myli nam się jaka jest zależność pH oraz pKa od mocy kwasu, zatem najlepiej przeanalizować to na tabeli, którą samemu możemy zawsze na szybko skonstruować.

pH1714
[H+]10ー110ー710ー14
pKa1714
Ka10ー110ー710ー14
Prosta do przywołania w myślach tabelka, która ładnie pokazuje zależności mocy kwasu od wartości pH oraz pKa

Oczywiście wiemy, że kwasy mają pH < 7 , co w takim razie wiąże się z największym stężeniem jonów wodorowych, co oczywiście widzimy z tabelki. Ustaliliśmy już, że im większa wartość stałej kwasowej Ka , tym mocniejszy kwas, a teraz możemy dodatkowo powiedzieć, że tym mniejsza wartość pKa.

Mocny kwasSłaby kwas
➤ duża wartość Ka
➤ mała wartośc pKa
➤ mała wartość Ka
➤ duża wartośc pKa
Podział na mocne i słabe kwasy w zależności od wartości stałej kwasowej oraz pKa

3. Miarą mocy zasady jest stała zasadowa

Chyba nie jest to szokujące, że skoro moc kwasu ocenialiśmy na podstawie stałej kwasowej, to moc zasady będziemy ogarniać na podstawie stałej zasadowej. Bierzemy zatem najbardziej klasyczną słabą zasadę, czyli amoniak :

NH3  + H2O ⇄ NH4+ +  OH

Stała zasadowa ma symbol Kb [1] :

\displaystyle K_{b} = \frac{[NH_{4}^{+}][OH^{-}]}{[NH_{3}]}

Zwróć uwagę, że woda nie jest brana pod uwagę do wyrażenia na stałą równowagi[2].

Jeżeli chodzi o zależności mocy zasady od wartości stałej zasadowej to są one identyczne jak w kwasie i także zostały podsumowane w tabeli :

Mocna zasadaSłabsza zasada
➤ duża wartość Kb
➤ mała wartośc pKb
➤ mała wartość Kb
➤ duża wartośc pKb
Podział na mocne i słabe kwasy w zależności od wartości stałej kwasowej oraz pKa

4. Porówanie stałej kwasowej i zasadowej

Jeżeli chodzi o zależności mocy zasady od wartości stałej zasadowej to są one identyczne jak w kwasie i także zostały podsumowane w tabeli :

Stała kwasowa KaStała zasadowa Kb
➤ używamy do kwasów
➤ duża wartość Ka
oznacza mocny kwas
➤ używamy do zasad
➤ duża wartość Kb
oznacza mocną zasadę
Podział na mocne i słabe kwasy w zależności od wartości stałej kwasowej oraz pKa

Zawsze pojawia się pytanie kiedy mamy używać stałej kwasowej, a kiedy zasadowej. Sprawa jest prosta, bo jedno używamy do kwasów, a drugie do zasad. Ale… nie zawsze wydaje się to takie łatwe. Dlatego można to rozpoznać jeszcze inaczej, pisząc reakcję dysocjacji − stałej zasadowej będziemy używać jeżeli będą powstawać jony OH, a stałej kwasowej kiedy powstaną jony H+.

HN3H+ + N3 ⇒ będziemy używać stałej Ka

CH3NH2  + H2O ⇄ CH3NH3+OH ⇒ będziemy używać stałej Kb


[1] Stała kwasowa Ka swoją literkę ,,a” w indeksie zawdzięcza angielskiemu słowu kwas, czyli acid. Analogicznie stała zasadowa Kb pochodzi od słowa ,,zasada” czyli base.

[2] Jak zwykle, sprawa jest nieco bardziej skomplikowana, bo nie może być tak, że po prostu czegoś nie bierzemy pod uwagę w pisaniu wyrażenia na stałą równowagi.

Najpierw zaczniemy od pokazania, że stężenie czystej wody jest równe około 55,56 mol/dm3 . Kojarzysz na pewno, że gęstość wody jest natomiast równa 1 g/cm3 . Stężenie molowe jest podawane w decymetrach sześciennych, więc zamieniam odpowiednio gęstość na 1000 g/cm3 . Tysiąc gramów wody odpowiada 1000 : 18 = 55,56 molom wody, które znajduje się właśnie w jednym decymetrze sześciennym, czyli właśnie wyliczyliśmy stężenie wody!

Woda jest zawsze rozpuszczalnikiem, czyli jest jest znacznie, znacznie więcej niż rozpuszczonej w niej substancji, zatem możemy przyjąć, że jej stężenie jest ciągle stałe. W takim razie jeśli zapisać by wyrażenie na stałą równowagi z wodą, to mielibyśmy dwie stałe i ciągle dokonywalibyśmy tego samego działania matematycznego. Dlatego po prostu jeśli pomnożyć stałą równowagi razy stężenie wody, to otrzymamy nową stałą, którą oznacza się jako Ka lub Kb, zależnie czy mówimy o kwasie czy zasadzie.

Na przykładzie kwasu fluorowodorowego : HF + H2O ⇄ H3O+ + F

Po co mamy ciągle robić to samo, skoro możemy to przyspieszyć. To tak jakby zamiast mnożyć przez dziesięć, mnożylibyśmy zawsze razy dwa i razy pięć, czyli dodając sobie niepotrzebnej roboty.

Zauważ, że dokładnie tak samo było z ciałami stałymi, o czym mówiliśmy tutaj.

Leave a Reply

%d bloggers like this: