Најважније из лекције
Класификација: Киселине се деле на бескисеоничне (\(\text{HCl}\)) и кисеоничне (\(\text{HNO}_3\)), као и на монопротичне (\(\text{HCl}\)) и полипротичне (\(\text{H}_2\text{SO}_4\)). Базе се деле на монокиселе (\(\text{NaOH}\)) и поликиселе (\(\text{Ca(OH)}_2\)).
Мерило јачине: Веће \( K_a \) означава јачу киселину. За конјуговани пар важи: \( K_a \cdot K_b = 10^{-14} \) и \( pK_a + pK_b = 14 \) (на 25 °C). Што је киселина јача, њена конјугована база је слабија.
Правила за јачину киселина:
Мерило јачине: Веће \( K_a \) означава јачу киселину. За конјуговани пар важи: \( K_a \cdot K_b = 10^{-14} \) и \( pK_a + pK_b = 14 \) (на 25 °C). Што је киселина јача, њена конјугована база је слабија.
Правила за јачину киселина:
- Бинарне киселине исте групе: киселост расте са порастом атомског полупречника (\(\text{HF} < \text{HCl} < \text{HBr} < \text{HI}\)).
- Оксо-киселине истог елемента: киселост расте са бројем О атома (\(\text{HClO} < \text{HClO}_2 < \text{HClO}_3 < \text{HClO}_4\)).
- Оксо-киселине различитих елемената: киселост расте са већом електронегативношћу централног атома (\(\text{HIO} < \text{HBrO} < \text{HClO}\)).
- Полипротичне киселине: јачина опада са сваким ступњем дисоцијације (\(K_{a1} > K_{a2} > K_{a3}\)).
Критеријуми за класификацију: Киселине и базе се могу разврставати према присуству кисеоника, броју јона водоника које могу да предају (базност киселине), броју \( \text{OH}^- \) група (киселост базе), као и према агрегатном стању, јачини, стабилности или токсичности.
| Критеријум класификације | Тип | Дефиниција / Опис | Примери |
|---|---|---|---|
| Према садржају кисеоника | Бескисеоничне киселине | Не садрже кисеоник у молекулу. | \( \text{HCl}, \text{HCN}, \text{H}_2\text{S}, \text{HF}, \text{HI} \) |
| Кисеоничне (оксо) киселине | Садрже кисеоник везан за централни атом. | \( \text{HNO}_3, \text{H}_2\text{SO}_4, \text{H}_3\text{PO}_4, \text{HClO}_4 \) | |
| Према броју протона (базност киселине) | Монопротичне (монобазне) | Молекул садржи један јон водоника који може дисосовати (реагује са 1 mol \( \text{NaOH} \)). | \( \text{HCl}, \text{HNO}_3, \text{HCN}, \text{HF} \) |
| Полипротичне (полибазне) | Молекул садржи два или више јона водоника који могу дисосовати. | \( \text{H}_2\text{S}, \text{H}_2\text{SO}_4, \text{H}_2\text{CO}_3, \text{H}_3\text{PO}_4 \) | |
| Према броју \( \text{OH}^- \) јона (киселост базе) | Монокиселе базе | Дисоцијацијом дају један \( \text{OH}^- \) јон (реагују са 1 mol \( \text{HCl} \)). | \( \text{NaOH}, \text{KOH}, \text{NH}_4\text{OH} \) |
| Поликиселе базе | Дисоцијацијом дају два или више \( \text{OH}^- \) јона. | \( \text{Mg(OH)}_2, \text{Ca(OH)}_2, \text{Fe(OH)}_3, \text{Al(OH)}_3 \) |
Класификуј следећа једињења према свим наведеним критеријумима: \( \text{H}_2\text{SO}_4 \), \( \text{HBr} \), \( \text{Ba(OH)}_2 \).
- \( \text{H}_2\text{SO}_4 \) – кисеонична (оксо), дипротична (двобазна) киселина;
- \( \text{HBr} \) – бескисеонична, монопротична (монобазна) киселина;
- \( \text{Ba(OH)}_2 \) – двокисела (поликисела) база.
Квантитативно мерило јачине киселина и база представљају њихове константе киселости (\(K_a\)) и константе базности (\(K_b\)), које описују положај протолитичке равнотеже у воденом раствору.
Протолитичка равнотежа киселине у води:
\[ \text{HA} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_3\text{O}^+ + \text{A}^- \implies K_a = \frac{[\text{H}_3\text{O}^+][\text{A}^-]}{[\text{HA}]} \]
\( pK_a = -\log K_a \)
Протолитичка равнотежа конјуговане базе у води:
\[ \text{A}^- + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{HA} + \text{OH}^- \implies K_b = \frac{[\text{HA}][\text{OH}^-]}{[\text{A}^-]} \]
\( pK_b = -\log K_b \)
Веза константи конјугованог киселинско-базног пара (на 25 °C):
\[ K_a \cdot K_b = K_w = 10^{-14} \text{ mol}^2\text{dm}^{-6} \]
\[ pK_a + pK_b = 14 \]
- Што је вредност \( K_a \) већа (односно \( pK_a \) мања), киселина је јача.
- Што је вредност \( K_b \) већа (односно \( pK_b \) мања), база је јача.
- Што је киселина јача, то је њена конјугована база слабија (и обрнуто).
Хлороводонична киселина (\( \text{HCl} \)) је изузетно јака киселина, што значи да је њен конјуговани хлоридни анјон (\( \text{Cl}^- \)) изузетно слаба база (практично занемарљиве базности). Са друге стране, \( \text{HCN} \) је слаба киселина (\( K_a = 4{,}9 \cdot 10^{-10} \)), па је цијанидни јон (\( \text{CN}^- \)) релативно јака конјугована база (\( K_b = 2{,}0 \cdot 10^{-5} \)).
Јачина киселина зависи од њихове молекулске структуре, поларности и јачине везе између водоника и остатка молекула, као и од стабилности насталог анјона након дисоцијације.
Киселост бинарних (бескисеоничних) киселина елемената исте групе расте с повећањем атомског полупречника неметала (јер веза са водоником постаје дужа и слабија, па се \( \text{H}^+ \) лакше отпушта):
\[ \text{HF} < \text{HCl} < \text{HBr} < \text{HI} \]
\( \text{HF} \) је слаба киселина, док су \( \text{HCl} \), \( \text{HBr} \) и \( \text{HI} \) јаке киселине.
Киселост оксо-киселина истог елемента расте са порастом броја атома кисеоника (односно са порастом оксидационог броја централног атома):
\[ \text{HClO} < \text{HClO}_2 < \text{HClO}_3 < \text{HClO}_4 \]
(Хипохлораста и хлораста су слабе киселине, док су хлорна и перхлорна јаке киселине).
Киселост оксо-киселина различитих елемената са истим бројем атома кисеоника расте са порастом електронегативности централног атома неметала (већа електронегативност јаче привлачи електронски пар и олакшава отпуштање \( \text{H}^+ \)):
\[ \text{HIO} < \text{HBrO} < \text{HClO} \]
У оквиру исте периоде (нпр. 3. периода):
\[ \text{H}_4\text{SiO}_4 < \text{H}_3\text{PO}_4 < \text{H}_2\text{SO}_4 < \text{HClO}_4 \]
Сваким наредним кораком дисоцијације молекула полипротичне киселине, киселински остатак постаје све негативније наелектрисан. То знатно отежава одвајање позитивно наелектрисаног јона водоника (\( \text{H}^+ \)), па јачина киселине опада са сваким ступњем:
\[ K_{a1} \gg K_{a2} \gg K_{a3} \]
\[ \text{HPO}_4^{2-} < \text{H}_2\text{PO}_4^- < \text{H}_3\text{PO}_4 \]
Задаци за вежбање
Задатак 1 (Лак): На основу вредности константи киселости:
\( K_a(\text{HNO}_2) = 4{,}6 \cdot 10^{-4} \text{ mol/dm}^3 \)
\( K_a(\text{HCN}) = 4{,}9 \cdot 10^{-10} \text{ mol/dm}^3 \)
Одреди која је киселина јача и упореди јачину њихових конјугованих база (\( \text{NO}_2^- \) и \( \text{CN}^- \)).
\( K_a(\text{HNO}_2) = 4{,}6 \cdot 10^{-4} \text{ mol/dm}^3 \)
\( K_a(\text{HCN}) = 4{,}9 \cdot 10^{-10} \text{ mol/dm}^3 \)
Одреди која је киселина јача и упореди јачину њихових конјугованих база (\( \text{NO}_2^- \) и \( \text{CN}^- \)).
1. Поређење киселина: Што је већа вредност \( K_a \), киселина је јача. Пошто је \( 4{,}6 \cdot 10^{-4} > 4{,}9 \cdot 10^{-10} \), азотаста киселина (\( \text{HNO}_2 \)) је знатно јача од цијановодоничне (\( \text{HCN} \)).
2. Поређење конјугованих база: Што је киселина јача, њена конјугована база је слабија. Према томе, нитритни јон (\( \text{NO}_2^- \)) је слабија база од цијанидног јона (\( \text{CN}^- \)), односно базност расте: \( \text{NO}_2^- < \text{CN}^- \).
2. Поређење конјугованих база: Што је киселина јача, њена конјугована база је слабија. Према томе, нитритни јон (\( \text{NO}_2^- \)) је слабија база од цијанидног јона (\( \text{CN}^- \)), односно базност расте: \( \text{NO}_2^- < \text{CN}^- \).
Задатак 2 (Средњи): Поређај следеће киселине по растућој јачини и образложи редослед:
а) \( \text{HClO}_2 \), \( \text{HClO}_4 \), \( \text{HClO} \), \( \text{HClO}_3 \)
б) \( \text{H}_3\text{PO}_4 \), \( \text{H}_4\text{SiO}_4 \), \( \text{HClO}_4 \), \( \text{H}_2\text{SO}_4 \)
а) \( \text{HClO}_2 \), \( \text{HClO}_4 \), \( \text{HClO} \), \( \text{HClO}_3 \)
б) \( \text{H}_3\text{PO}_4 \), \( \text{H}_4\text{SiO}_4 \), \( \text{HClO}_4 \), \( \text{H}_2\text{SO}_4 \)
а) Кисеоничне киселине истог елемента: Јачина расте са порастом броја атома кисеоника (оксидационог броја хлора):
\[ \text{HClO} < \text{HClO}_2 < \text{HClO}_3 < \text{HClO}_4 \]
б) Кисеоничне киселине елемената исте периоде (3. периода): Јачина расте са порастом електронегативности централног неметала (\(\text{Si} < \text{P} < \text{S} < \text{Cl}\)):
\[ \text{H}_4\text{SiO}_4 < \text{H}_3\text{PO}_4 < \text{H}_2\text{SO}_4 < \text{HClO}_4 \]
Задатак 3 (Тежак): Напиши једначине сва три ступња протолитичке равнотеже фосфорне киселине (\( \text{H}_3\text{PO}_4 \)) у води и изразе за одговарајуће константе киселости (\( K_{a1} \), \( K_{a2} \), \( K_{a3} \)). Објасни зашто важи однос \( K_{a1} > K_{a2} > K_{a3} \).
I ступањ:
\[ \text{H}_3\text{PO}_4 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_3\text{O}^+ + \text{H}_2\text{PO}_4^- \quad \implies \quad K_{a1} = \frac{[\text{H}_3\text{O}^+][\text{H}_2\text{PO}_4^-]}{[\text{H}_3\text{PO}_4]} \]
II ступањ:
\[ \text{H}_2\text{PO}_4^- + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_3\text{O}^+ + \text{HPO}_4^{2-} \quad \implies \quad K_{a2} = \frac{[\text{H}_3\text{O}^+][\text{HPO}_4^{2-}]}{[\text{H}_2\text{PO}_4^-]} \]
III ступањ:
\[ \text{HPO}_4^{2-} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_3\text{O}^+ + \text{PO}_4^{3-} \quad \implies \quad K_{a3} = \frac{[\text{H}_3\text{O}^+][\text{PO}_4^{3-}]}{[\text{HPO}_4^{2-}]} \]
Образложење: У сваком наредном кораку позитивно наелектрисани протон (\( \text{H}^+ \)) мора да се одвоји од јона који већ има негативно наелектрисање (\( \text{H}_2\text{PO}_4^- \), односно \( \text{HPO}_4^{2-} \)). Електростатичко привлачење између супротних наелектрисања отежава даљу дисоцијацију, због чега је \( K_{a1} \) највећа, а \( K_{a3} \) најмања константа.
