Сильные и слабые кислоты

При концентрации 0.100 M соляная кислота полностью ионизирована и имеет pH 1.00, а уксусная кислота отдала лишь 1.3% своих протонов и имеет pH 2.87.

Соляная кислота и уксус относятся к кислотам, но никто не готовит еду с соляной кислотой. Разница не только в количестве кислоты в бутылке. Даже при одинаковой концентрации одни кислоты отдают протоны почти полностью, а другие удерживают большую их часть. Кислоты первого типа химики называют сильными, а второго типа слабыми. Сила показывает, насколько полно кислота ионизируется в воде; концентрация показывает, сколько кислоты растворено. Это разные понятия: разбавленный раствор сильной кислоты может быть менее кислым, чем концентрированный раствор слабой.

Сильные кислоты ионизируются полностью

OpenStax перечисляет шесть распространённых сильных кислот: хлорную HClO₄, соляную HCl, бромоводородную HBr, иодоводородную HI, азотную HNO₃ и серную H₂SO₄. Для сильных одноосновных кислот, таких как HCl, ионизация в разбавленном растворе практически полная, поэтому [H₃O⁺] приблизительно равна концентрации кислоты. Серная кислота практически полностью отдаёт первый протон, но её вторая ионизация является равновесием, которое может добавлять H₃O⁺. У 0.100 M раствора HCl [H₃O⁺] = 0.100 M и pH 1.00; у 0.0010 M раствора pH 3.00. Шесть распространённых сильных оснований включают гидроксиды лития, натрия, калия, кальция, стронция и бария, которые полностью высвобождают OH⁻.

Слабые кислоты и Ka

Большинство кислот слабые. Уксусная кислота, содержащаяся в уксусе, устанавливает в воде равновесие: CH₃COOH + H₂O ⇌ H₃O⁺ + CH₃COO⁻. Её силу характеризует константа диссоциации кислоты Ka = [H₃O⁺][CH₃COO⁻] / [CH₃COOH]. Для уксусной кислоты Ka = 1.8 × 10⁻⁵, то есть pKa = 4.74; PubChem приводит измеренное значение pKa 4.76 при 25 °C. Муравьиная кислота примерно в десять раз сильнее: Ka = 1.8 × 10⁻⁴. Чем больше Ka, тем сильнее кислота.

Чтобы найти pH слабой кислоты, нужно рассчитать равновесие. Для 0.100 M уксусной кислоты обозначим ионизированную часть через x: x² / (0.100 − x) = 1.8 × 10⁻⁵. Поскольку x мало, x² ≈ 1.8 × 10⁻⁶ и x ≈ 1.3 × 10⁻³ M. Получаем pH 2.87 и степень ионизации (1.3 × 10⁻³ / 0.100) × 100 = 1.3%. Протон отдала лишь примерно одна молекула из семидесяти пяти; в лаборатории это показано одной распавшейся молекулой из ста. Решение без приближения для малого x даёт pH 2.88; именно точное решение использует лаборатория.

Разбавление меняет долю ионизированных молекул

Уменьши концентрацию уксусной кислоты ползунком в лаборатории. При 0.010 M ионизировано около 4.2%, а при 0.0010 M около 12.5%. Ka остаётся прежней, но степень ионизации растёт при разбавлении, поскольку равновесие сдвигается в сторону большего числа частиц. У сильной кислоты она остаётся равной 100% при любой концентрации. Поэтому степень ионизации не является постоянной характеристикой кислоты, в отличие от Ka.

Слабые основания ведут себя аналогично; для них используют константу диссоциации основания Kb. Аммиак принимает протон от воды с образованием NH₄⁺ и OH⁻ при Kb = 1.8 × 10⁻⁵. PubChem приводит для 0.1 N аммиака pH 11.1, намного ниже 13 для сильного основания той же концентрации.