6.8: Właściwości kwasowo-zasadowe roztworów soli

Zależnie od właściwości kwasowo-zasadowych jonów składowych, sól może rozpuszczać się w wodzie, tworząc roztwór obojętny, zasadowy lub kwaśny.

Gdy sól taka jak NaCl rozpuszcza się w wodzie, wytwarza jony Na^+_{(aq)} i Cl^-_{(aq)}. Stosując metodę Lewisa, jon Na^+ może być postrzegany jako kwas, ponieważ jest akceptorem pary elektronowej, chociaż jego niski ładunek i stosunkowo duży promień sprawiają, że jest to bardzo słaby kwas. Jon Cl^- jest zasadą sprzężoną z mocnym kwasem HCl, więc w zasadzie nie ma charakteru zasadowego. W konsekwencji, rozpuszczenie NaCl w wodzie nie ma wpływu na pH roztworu i pozostaje on obojętny. Porównajmy to z zachowaniem wodnych roztworów cyjanku potasu i octanu sodu. Ponownie, kationy (K^+) i Na^+) nie mają zasadniczo charakteru kwasowego, ale aniony (CN^-) i CH_3CO_2^-) są słabymi zasadami, które mogą reagować z wodą, ponieważ są to zasady sprzężone ze słabymi kwasami, odpowiednio HCN i octowym.

Żadna z reakcji nie przebiega bardzo daleko w prawo, tak jak napisano, ponieważ faworyzowane jest tworzenie słabszej pary kwas-zasada. Zarówno kwas (HCN) jak i kwas octowy są silniejszymi kwasami niż woda, a wodorotlenek jest silniejszą zasadą niż octan lub cyjanek, więc w obu przypadkach równowaga leży po lewej stronie. Niemniej jednak, każda z tych reakcji generuje wystarczającą ilość jonów wodorotlenkowych, aby wytworzyć roztwór zasadowy. Na przykład, wartość pH 0,1 M roztworu octanu sodu lub cyjanku potasu w temperaturze 25°C wynosi odpowiednio 8,8 lub 11,1. Z tabeli i rysunku widzimy, że CN^- jest silniejszą zasadą (pK_b = 4,79) niż octan (pK_b = 9.24)), co jest zgodne z tym, że przy tym samym stężeniu \(KCN\) tworzy bardziej zasadowy roztwór niż octan sodu.

Z kolei sprzężony kwas słabej zasady powinien być słabym kwasem (równanie \(\)). Na przykład chlorek amonu i chlorek pirydyny to sole powstałe w wyniku reakcji amoniaku i pirydyny, odpowiednio, z \(HCl\). Jak już wiesz, jon chlorkowy jest tak słabą zasadą, że nie reaguje z wodą. Natomiast kationy tych dwóch soli są słabymi kwasami, które reagują z wodą w następujący sposób:

Z równania \(\{16.2}} wskazuje, że H_3O^+ jest silniejszym kwasem niż NH_4^+ lub C_5H_5NH^+ i odwrotnie, amoniak i pirydyna są silniejszymi zasadami niż woda. Dlatego w obu przypadkach równowaga będzie leżeć daleko po lewej stronie, faworyzując słabszą parę kwas-zasada. Stężenie H_3O^+ powstające w wyniku reakcji jest jednak wystarczająco duże, aby znacznie obniżyć pH roztworu: pH 0,10 M roztworu chlorku amonu lub chlorku pirydyny w temperaturze 25°C wynosi odpowiednio 5,13 lub 3,12. Jest to zgodne z informacjami przedstawionymi na rysunku 16.2, wskazującymi, że jon pirydynowy jest bardziej kwaśny niż jon amonowy.

Co dzieje się z wodnymi roztworami soli takich jak octan amonu, w których zarówno kation, jak i anion mogą reagować oddzielnie z wodą, tworząc odpowiednio kwas i zasadę? Zgodnie z rysunkiem 16.10, jon amonowy obniży pH, a jon octanowy podniesie pH, zgodnie z równaniem 16.3. Ten szczególny przypadek jest nietypowy, ponieważ kation jest tak samo silnym kwasem, jak anion zasadą (pKa ≈ pKb). W związku z tym oba efekty się znoszą, a roztwór pozostaje obojętny. W przypadku soli, w których kation jest mocniejszym kwasem niż anion zasadą, końcowy roztwór ma pH < 7,00. I odwrotnie, jeśli kation jest słabszym kwasem niż anion jest zasadą, roztwór końcowy ma \(pH \) > 7,00.

Roztwory prostych soli jonów metali mogą być również kwaśne, mimo że jon metalu nie może przekazać protonu bezpośrednio do wody, aby wytworzyć \(H_3O^+\). Zamiast tego, jon metalu może działać jak kwas Lewisa i oddziaływać z wodą, zasadą Lewisa, poprzez koordynację z samotną parą elektronów na atomie tlenu, tworząc uwodniony jon metalu (część (a) na rysunku). Cz±steczka wody skoordynowana z jonem metalu jest bardziej kwa¶na niż wolna cz±steczka wody z dwóch powodów. Po pierwsze, odpychające oddziaływania elektrostatyczne pomiędzy dodatnio naładowanym jonem metalu i częściowo dodatnio naładowanymi atomami wodoru skoordynowanej cząsteczki wody ułatwiają jej utratę protonu.

Po drugie, dodatni ładunek na jonie ^{3+}} przyciąga gęstość elektronów z atomów tlenu cząsteczek wody, co zmniejsza gęstość elektronów w wiązaniach ^{O-H}}, jak pokazano w części (b) na Rysunku ^{PageIndex{1}}. Przy mniejszej gęstości elektronów pomiędzy atomami O a atomami H, wiązania _CO-H są słabsze niż w wolnej cząsteczce H, co ułatwia utratę jonu H^+.

Wielkość tego efektu zależy od następujących dwóch czynników (rysunek rzedu{2}):

1. Ładunek na jonie metalu. Jon dwuwartościowy (M^{2+}}) ma około dwukrotnie silniejszy wpływ na gęstość elektronów w skoordynowanej cząsteczce wody niż jon jednowartościowy (M^+}) o tym samym promieniu.
2. Promień jonu metalu. Dla jonów metali o tym samym ładunku, im mniejszy jon, tym krótsza odległość wewnątrzjądrowa do atomu tlenu cząsteczki wody i tym większy wpływ metalu na rozkład gęstości elektronowej w cząsteczce wody.

Tak więc wodne roztwory małych, silnie naładowanych jonów metali, takich jak ^{3+}} i ^{3+}}, są kwaśne:

^{3+}_{(aq)} \rightleftharpoons ^{2+}_{(aq)}+H^+_{(aq)} \^{16.36}}]

Jon ^{3+} ma ^{3+}_{(aq)} ^{2+}_{(aq)}+H^+_{(aq)}, co czyni go prawie tak silnym kwasem jak kwas octowy. Ze względu na dwa opisane wcześniej czynniki, najważniejszym parametrem pozwalającym przewidzieć wpływ jonu metalu na kwasowość skoordynowanych cząsteczek wody jest stosunek ładunku do promienia jonu metalu. Wiele par jonów metali, które leżą na ukośnej linii układu okresowego, takich jak jony Li^+ i Mg^{2+} lub jony Ca^{2+} i Y^{3+}, mają różne rozmiary i ładunki, ale podobny stosunek ładunku do promienia. W rezultacie, te pary jonów metali mają podobny wpływ na kwasowość skoordynowanych cząsteczek wody i często wykazują również inne znaczące podobieństwa w chemii.

Roztwory małych, silnie naładowanych jonów metali w wodzie są kwaśne.

Reakcje takie jak te omówione w tym rozdziale, w których sól reaguje z wodą dając roztwór kwaśny lub zasadowy, są często nazywane reakcjami hydrolizy. Używanie osobnej nazwy dla tego typu reakcji jest niefortunne, ponieważ sugeruje, że są one w jakiś sposób różne. W rzeczywistości reakcje hydrolizy są po prostu reakcjami kwasowo-zasadowymi, w których kwas jest kationem lub zasada jest anionem; są one zgodne z tymi samymi zasadami i regułami, co wszystkie inne reakcje kwasowo-zasadowe.

Reakcja hydrolizy jest reakcją kwasowo-zasadową.

.