Сопряженная кислота , в рамках теории кислотно-основных отношений Бренстеда-Лоури , представляет собой химическое соединение, образующееся, когда кислота отдает протон ( H + ) основанию — другими словами, это основание с присоединенным к нему ионом водорода , поскольку оно теряет ион водорода в обратной реакции. С другой стороны, сопряженное основание — это то, что остается после того, как кислота отдала протон в ходе химической реакции. Следовательно, сопряженное основание — это вещество, образованное путем удаления протона из кислоты, поскольку оно может получить ион водорода в обратной реакции. [1] Поскольку некоторые кислоты могут отдавать несколько протонов, сопряженное основание кислоты само по себе может быть кислым.
Подводя итог, это можно представить в виде следующей химической реакции :
Иоганнес Николаус Брёнстед и Мартин Лоури представили теорию Брёнстеда–Лоури, которая гласит, что любое соединение, которое может отдавать протон другому соединению, является кислотой, а соединение, которое получает протон, является основанием. Протон — это субатомная частица в ядре с единичным положительным электрическим зарядом. Он представлен символом H +, поскольку имеет ядро атома водорода , [2] то есть катиона водорода .
Катион может быть сопряженной кислотой, а анион — сопряженным основанием, в зависимости от того, какое вещество задействовано и какая теория кислотно-основания используется. Простейшим анионом, который может быть сопряженным основанием, является свободный электрон в растворе , сопряженной кислотой которого является атомарный водород.
В кислотно-основной реакции кислота и основание реагируют, образуя сопряженное основание и сопряженную кислоту соответственно. Кислота теряет протон, а основание приобретает протон. На схемах, которые это показывают, новая связь, образованная между основанием и протоном, показана стрелкой, которая начинается на электронной паре основания и заканчивается на ионе водорода (протоне), который будет передан:
В этом случае молекула воды является сопряженной кислотой основного гидроксид-иона 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 получения молекулы воды. Также OH − можно рассматривать как сопряженное основание H
2O , так как молекула воды отдает протон, давая NH+
4в обратной реакции. Термины «кислота», «основание», «сопряженная кислота» и «сопряженное основание» не являются фиксированными для определенного химического вещества, но могут меняться местами, если реакция, происходящая в обратном направлении.
Сила сопряженной кислоты пропорциональна ее константе расщепления . Более сильная сопряженная кислота будет легче расщепляться на свои продукты, «отталкивать» протоны водорода и иметь более высокую константу равновесия . Силу сопряженного основания можно рассматривать как его тенденцию «притягивать» протоны водорода к себе. Если сопряженное основание классифицируется как сильное, оно будет «удерживать» протон водорода при растворении, и его кислота не расщепится.
Если химическое вещество является сильной кислотой, его сопряженное основание будет слабым. [3] Примером этого случая может служить расщепление соляной кислоты HCl в воде. Поскольку HCl является сильной кислотой (она расщепляется в значительной степени), ее сопряженное основание ( Cl−
) будет слабым. Поэтому в этой системе большинство H+
будут ионы гидроксония H
3О+
вместо того, чтобы присоединяться к анионам Cl − и сопряженным основаниям, они будут слабее молекул воды.
С другой стороны, если химическое вещество является слабой кислотой, его сопряженное основание не обязательно будет сильным. Примите во внимание, что этаноат, сопряженное основание этановой кислоты, имеет константу расщепления основания (Kb) около5,6 × 10 −10 , что делает его слабым основанием. Для того, чтобы вид имел сильное сопряженное основание, он должен быть очень слабой кислотой, как вода.
Чтобы определить сопряженную кислоту, найдите пару соединений, которые связаны. Реакцию кислоты и основания можно рассматривать в смысле «до» и «после». «До» — это сторона реагента уравнения, «после» — сторона продукта уравнения. Сопряженная кислота в последующей части уравнения приобретает ион водорода, поэтому в предыдущей части уравнения соединение, которое имеет на один ион водорода меньше сопряженной кислоты, является основанием. Сопряженное основание в последующей части уравнения потеряло ион водорода, поэтому в предыдущей части уравнения соединение, которое имеет на один ион водорода больше сопряженного основания, является кислотой.
Рассмотрим следующую кислотно-щелочную реакцию:
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 — ион гидроксония ( H
3О+
).
Одно из применений сопряженных кислот и оснований заключается в буферных системах, которые включают буферный раствор . В буфере слабая кислота и ее сопряженное основание (в форме соли) или слабое основание и ее сопряженная кислота используются для ограничения изменения pH в процессе титрования. Буферы имеют как органические, так и неорганические химические применения. Например, помимо буферов, используемых в лабораторных процессах, человеческая кровь действует как буфер для поддержания pH. Самым важным буфером в нашем кровотоке является буфер углекислоты-бикарбоната , который предотвращает резкие изменения pH при CO
2вводится. Это работает следующим образом:
Кроме того, вот таблица распространенных буферов.
Второе распространенное применение органического соединения — это производство буфера с уксусной кислотой. Если уксусная кислота, слабая кислота с формулой CH
3COOH , был превращен в буферный раствор, его необходимо было объединить с его сопряженным основанием CH
3Операционный директор−
в виде соли. Полученная смесь называется ацетатным буфером, состоящим из водного CH
3COOH и водный CH
3COONa . Уксусная кислота, наряду со многими другими слабыми кислотами, служит полезным компонентом буферов в различных лабораторных условиях, причем каждая полезна в своем диапазоне pH.
Раствор лактата Рингера является примером, где сопряженное основание органической кислоты, молочной кислоты , CH
3СН(ОН)СО−
2сочетается с катионами натрия, кальция и калия и анионами хлорида в дистиллированной воде [4] , которые вместе образуют жидкость, изотоническую по отношению к крови человека и используемую для реанимации после потери крови из-за травмы , хирургического вмешательства или ожога . [5]
Ниже приведены несколько примеров кислот и соответствующих им сопряженных оснований; обратите внимание, что они отличаются всего одним протоном (ионом H + ). Сила кислоты уменьшается, а сила сопряженного основания увеличивается по мере продвижения вниз по таблице.
Напротив, вот таблица оснований и их сопряженных кислот. Аналогично, сила основания уменьшается, а сила сопряженной кислоты увеличивается вниз по таблице.
