ثابت تعادل واکنشهای اسید-باز

باتوجه به طبقه بندی اسیدها و بازها به قوی و ضعیف در یک محلول، می توان واکنشهای اسید-باز در یک محلول را به چهار دسته زیر طبقه بندی نمود:

دسته اول: واکنش اسید قوی با باز قوی مثل واکنش محلول هیدروکلریک اسید با محلول سدیم هیدروکسید

دسته دوم: واکنش اسید ضعیف با باز قوی مثل واکنش محلول استیک اسید با محلول سدیم هیدروکسید

دسته سوم: واکنش اسید قوی با باز ضعیف مثل واکنش محلول هیدروکلریک اسید با محلول آمونیاک

دسته چهارم: واکنش اسید ضعیف با باز ضعیف مثل واکنش محلول استیک اسید با محلول آمونیاک

در ادامه برای هر یک از این دسته ها با نحوه محاسبه ثابت تعادل واکنش و بحث های مربوطه آشنا می شویم.

در مورد دسته اول یا همان واکنش اسید قوی با باز قوی، گونه اسید قوی حلال حاصل از تفکیک اسیدی کامل اسید قوی با گونه باز قوی حلال حاصل از تفکیک بازی کامل باز قوی واکنش خواهد داد که واکنش مربوطه در حالت کلی بدون در نظر گرفتن یونهای ناظر، عکس واکنش خودیونش حلال است و بنابراین ثابت تعادل آن برابر عکس ثابت اتوپرتولیز حلال خواهد بود.

در مورد دسته دوم یا همان واکنش اسید ضعیف با باز قوی، اسید ضعیف با گونه باز قوی حلال حاصل از تفکیک بازی کامل باز قوی واکنش خواهد داد که واکنش مربوطه در حالت کلی بدون در نظر گرفتن یونهای ناظر، عکس واکنش تفکیک بازی باز مزدوج اسید ضعیف است و بنابراین ثابت تعادل آن برابر عکس ثابت تفکیک بازی باز مزدوج اسید ضعیف خواهد بود که آنهم به نوبه خود با حاصلضرب ثابت تفکیک اسیدی اسید ضعیف و عکس ثابت اتوپرتولیز حلال برابر است.

در مورد دسته سوم یا همان واکنش اسید قوی با باز ضعیف، گونه اسید قوی حلال حاصل از تفکیک اسیدی کامل اسید قوی با باز ضعیف واکنش خواهد داد که واکنش مربوطه در حالت کلی بدون در نظر گرفتن یونهای ناظر، عکس واکنش تفکیک اسیدی اسید مزدوج باز ضعیف است و بنابراین ثابت تعادل آن برابر عکس ثابت تفکیک اسیدی اسید مزدوج باز ضعیف خواهد بود که آنهم به نوبه خود با حاصلضرب ثابت تفکیک بازی باز ضعیف و عکس ثابت اتوپرتولیز حلال برابر است.

در مورد دسته چهارم یا همان واکنش اسید ضعیف با باز ضعیف، واکنش مربوطه در حالت کلی بدون در نظر گرفتن یونهای ناظر، از مجموع واکنش تفکیک اسیدی اسید ضعیف و عکس واکنش تفکیک اسیدی اسید مزدوج باز ضعیف بدست می آید و بنابراین ثابت تعادل آن با حاصلضرب ثابت تفکیک اسیدی اسید ضعیف و عکس ثابت تفکیک اسیدی اسید مزدوج باز ضعیف برابر است. با توجه به اینکه در واکنش یاد شده اسید ضعیف تفکیک اسیدی انجام می دهد و از بین می رود، در حالیکه اسید مزدوج باز ضعیف تشکیل می شود، ثابت تعادل واکنش اسید ضعیف با باز ضعیف بصورت ثابت تفکیک اسیدی که از بین می رود بخش بر ثابت تفکیک اسیدی که تشکیل می شود، نیز می تواند درنظر گرفته شود.

دقت داشته باشید که در اینجا درصورتیکه با اسیدها و بازهای چند پروتونی سروکار داشته باشیم، مجددا همان روابط بالا را خواهیم داشت، فقط بایستی شماره ثابت تفکیک اسیدی یا ثابت تفکیک بازی مربوطه را بدرستی در نظر بگیریم. در ضمن برای آمفوترها در مقابل مواد با فقط خصلت اسیدی، نقش بازی و در مقابل مواد با فقط خصلت بازی، نقش اسیدی در نظر می گیریم. در صورتیکه واکنش دو آمفوتر با هم را داشته باشیم، نقش اسید یا باز برای هر آمفوتر را به گونه ای انتخاب می کنیم که ثابت تعادل بزرگتری برای واکنش نتیجه شود (بطور کلی واکنشها با ثابت تعادل بزرگتر مهمترند).

در اینجا خوب است بدین نکته هم توجه داشته باشیم که اسید ضعیف یا باز ضعیف ممکن است از تفکیک یونی نمک ها حاصل شوند. بعنوان مثال باز ضعیف یون استات ممکن است از تفکیک یونی نمکی مثل سدیم استات حاصل شود. بطور کلی نمک ها حاصل واکنش اسیدها و بازها هستند و از واکنش بین اسید و بازی که حداقل یکی از آنها قوی است، نمکی نتیجه می شود که الکترولیت قوی خواهد بود و تفکیک یونی کامل خواهد داشت. بعنوان مثال نمک های سدیم و پتاسیم الکترولیت قوی با تفکیک یونی کامل در نظر گرفته می شوند. تفکیک یونی کامل نمک ها بایستی قبل از واکنشهای اسید- باز لحاظ شود.

از بحث تعادل شیمیائی می دانیم که مقدار پیشرفت یک واکنش تحت تاثیر بزرگی مقدار ثابت تعادل واکنش قرار دارد و با افزایش مقدار ثابت تعادل، واکنش به مقدار بیشتری به سمت محصولات پیشرفت میکند. در این راستا واکنشها را می توان به سه دسته واکنشها با ثابت تعادل خیلی بزرگ یا واکنشهای کمی یا تقریبا کامل، واکنشها با ثابت تعادل خیلی کوچک یا واکنشهای غیرکمی یا تقریبا انجام ناپذیر و واکنشها با ثابت تعادل نه خیلی بزرگ و نه خیلی کوچک یا واکنشهای مابین کمی و غیر کمی طبقه بندی نمود. یک معیار برای این طبقه بندی عدد هزار (یا معیار تقریبی تر عدد صد) است که در آن، واکنشها با ثابت تعادل بزرگتر از هزار، کمی، واکنشها با ثابت تعادل کوچکتر از یک هزارم، غیرکمی و واکنشها با ثابت تعادل مابین هزار و یک هزارم مابین محسوب می شوند. آگاهی از کمی یا غیر کمی بودن واکنشها می تواند در محاسبه غلظت ها مفید واقع شود. علاوه براین بطورکلی در محاسبه غلظت های تعادلی بهتر است در ابتدا تمامی واکنشهای کمی (تقریبا کامل) موجود بین گونه های حاضر در محلول در نظر گرفته شوند و محاسبات استوکیومتری مربوطه انجام شوند و سپس برای محلول فاقد واکنش کمی بعنوان محلول نهایی روابط لازم برای محاسبه غلظت های تعادلی نوشته و حل شوند. با توجه به اهمیت تعیین کمی یا غیرکمی بودن واکنشها در ادامه بررسی می کنیم که هر دسته از واکنشهای اسید-باز تحت چه شرایطی کمی هستند.

برای واکنشهای دسته اول یا همان واکنش اسید قوی با باز قوی، با توجه به اینکه از یکطرف ثابت تعادل واکنش برابر عکس ثابت اتوپرتولیز حلال است و از طرف دیگر برای کمی بودن باید ثابت تعادل واکنش بزرگتر از هزار باشد، نتیجه می شود که برای کمی بودن واکنشهای دسته اول یا همان واکنش اسید قوی با باز قوی، باید ثابت اتوپرتولیز حلال از یک هزارم کوچکتر باشد. از آنجائیکه برای حلالهایی که ما با آنها سروکار داریم، ثابت اتوپروتولیز حلال یک عدد خیلی کوچک و کمتر از یک هزارم است، می توان نتیجه گرفت که واکنش اسید قوی با باز قوی همواره یک واکنش کمی است.

برای واکنشهای دسته دوم یا همان واکنش اسید ضعیف با باز قوی، با توجه به اینکه از یکطرف ثابت تعادل واکنش برابر حاصلضرب ثابت تفکیک اسیدی اسید ضعیف و عکس ثابت اتوپرتولیز حلال است و از طرف دیگر برای کمی بودن باید ثابت تعادل واکنش بزرگتر از هزار باشد، نتیجه می شود که برای کمی بودن واکنشهای دسته دوم یا همان واکنش اسید ضعیف با باز قوی، باید ثابت تفکیک اسیدی اسید ضعیف از هزار برابر ثابت اتوپرتولیز حلال بزرگتر باشد.

برای واکنشهای دسته سوم یا همان واکنش اسید قوی با باز ضعیف، با توجه به اینکه از یکطرف ثابت تعادل واکنش برابر عکس ثابت تفکیک اسیدی اسید مزدوج باز ضعیف است و از طرف دیگر برای کمی بودن باید ثابت تعادل واکنش بزرگتر از هزار باشد، نتیجه می شود که برای کمی بودن واکنشهای دسته سوم یا همان واکنش اسید قوی با باز ضعیف، باید ثابت تفکیک اسیدی اسید ضعیف از یک هزارم کوچکتر باشد.

برای واکنشهای دسته چهارم یا همان واکنش اسید ضعیف با باز ضعیف، با توجه به اینکه از یکطرف ثابت تعادل واکنش برابر با حاصلضرب ثابت تفکیک اسیدی اسید ضعیف و عکس ثابت تفکیک اسیدی اسید مزدوج باز ضعیف است و از طرف دیگر برای کمی بودن باید ثابت تعادل واکنش بزرگتر از هزار باشد، نتیجه می شود که برای کمی بودن واکنشهای دسته چهارم یا همان واکنش اسید ضعیف با باز ضعیف، باید ثابت تفکیک اسیدی که از بین می رود، از هزار برابر ثابت تفکیک اسیدی که تشکیل می شود، بیشتر باشد.

از روی روابط ثابت تعادل برای واکنشهای اسید-باز می توان دید که در هر حلال، کمی ترین واکنش اسید-باز ممکن واکنش بین اسید قوی با باز قوی یا همان واکنش گونه اسید قوی حلال با گونه باز قوی حلال است. در ضمن برای یک اسید ضعیف مشخص، واکنش با باز قوی و برای برای یک باز ضعیف مشخص، واکنش با اسید قوی کمی ترین واکنش اسید-باز ممکن خواهد بود. همچنین واکنش بین اسید قویتر و باز قویتر از واکش بین اسید ضعیفتر و باز ضعیفتر کمی خواهد بود.

همانطور که قبلا هم گفتیم، برای هر محلول باید در ابتدا کلیه واکنشهای کمی (تقریبا کامل) موجود در نظر گرفته شوند و محاسبات استوکیومتری مربوطه انجام شوند تا زمانیکه بین گونه های حاضر در محلول واکنش کمی نداشته باشیم. بدین منظور واکنش اسید-باز بین قویترین اسید و قویترین باز حاضر در محلول را در نظر می گیریم. در صورتیکه کمی باشد، محاسبات استوکیومتری مربوط به واکنش کامل بین آنها را انجام می دهیم و غلظت های گونه ها در محلول را بر اساس آن از نو بدست می آوریم. سپس مجددا قویترین اسید و قویترین باز حاضر در محلول را شناسایی کرده و واکنش اسید-باز بین آنها را در نظر می گیریم و در صورت کمی بودن مجددا محاسبات استوکیومتری مربوط به واکنش کامل بین آنها را انجام می دهیم و غلظت ها را از نو بدست می آوریم. بدین روند تا زمانی ادامه می دهیم که واکنش اسید-باز بین قویترین اسید و قویترین باز حاضر در محلول دیگر کمی نباشد. اگر این واکنش کمی نباشد، مطمئنا دیگر واکنش های اسید-باز ممکن هم کمی نخواهند بود. برای این محلول که فاقد واکنش کمی است و می تواند بعنوان محلول نهایی در نظر گرفته شود، می توان به سراغ محاسبه غلظت های تعادلی رفت.