A konjugált sav-bázis párok relatív erősségét is felhasználhatjuk a sók oldatainak sav-bázis tulajdonságainak megértéséhez. A semlegesítési reakciót úgy definiálhatjuk, hogy egy sav és egy bázis reakciója só és víz keletkezik. Ez azt jelenti, hogy egy másik kation, például \(Na^+\), helyettesíti a sav protonját. Példa erre a gyenge sav \(\ce{CH3CO2H}\) és az erős bázis \(\ce{NaOH}\) reakciója:

\

A só azonban az alkotó ionok sav-bázis tulajdonságaitól függően oldódhat vízben semleges, bázikus vagy savas oldatot eredményezve.

Amikor egy só, például \(NaCl\) vízben oldódik, \(Na^+_{(aq)}\) és \(Cl^-_{(aq)}\) ionok keletkeznek. A Lewis-féle megközelítést alkalmazva az \(Na^+\) ion savnak tekinthető, mivel elektronpár-akceptor, bár alacsony töltése és viszonylag nagy sugara miatt nagyon gyenge sav. A \(Cl^-\) ion az erős sav \(HCl\) konjugált bázisa, tehát lényegében nincs bázikus jellege. Következésképpen \(NaCl\) vízben való feloldása nincs hatással az oldat \(pH\) értékére, és az oldat semleges marad.

Most hasonlítsuk össze ezt a viselkedést a kálium-cianid és a nátrium-acetát vizes oldatainak viselkedésével. A kationok (\(K^+\) és \(Na^+\)) lényegében nem savas jellegűek, de az anionok (\(CN^-\) és \(CH_3CO_2^-\)) gyenge bázisok, amelyek képesek reagálni a vízzel, mivel a gyenge savak \(HCN\) és az ecetsav konjugált bázisai.

\

\

Egyik reakció sem halad nagyon messze jobbra az írás szerint, mert a gyengébb sav-bázis pár kialakulása előnyben részesül. Mind a \(HCN\), mind az ecetsav erősebb sav, mint a víz, a hidroxid pedig erősebb bázis, mint az acetát vagy a cianid, így az egyensúly mindkét esetben balra esik. Mindazonáltal mindegyik reakcióban elegendő hidroxidion keletkezik ahhoz, hogy bázikus oldatot kapjunk. Például egy 0,1 M nátrium-acetát vagy kálium-cianid 0,1 M-os oldatának \(pH\) értéke 25 °C-on 8,8, illetve 11,1. Az E1 és E2 táblázatból láthatjuk, hogy a \(CN^-\) erősebb bázis (\(pK_b = 4,79\)), mint az acetát (\(pK_b = 9,24\)), ami összhangban van azzal, hogy a \(KCN\) azonos koncentrációban bázikusabb oldatot eredményez, mint a nátrium-acetát.

Ezzel szemben egy gyenge bázis konjugált savának gyenge savnak kell lennie. Például az ammónium-klorid és a piridinium-klorid az ammónia és a piridin \(HCl\) reakciójával előállított sók. Mint már tudjátok, a kloridion olyan gyenge bázis, hogy nem lép reakcióba vízzel. Ezzel szemben a két só kationjai gyenge savak, amelyek a következőképpen reagálnak a vízzel:

\

\

Az \(\PageIndex{2}\) ábra azt mutatja, hogy a \(H_3O^+\) erősebb sav, mint a \(NH_4^+\) vagy a \(C_5H_5NH^+\), és fordítva, az ammónia és a piridin is erősebb bázis, mint a víz. Az egyensúly tehát mindkét esetben messze balra esik, és a gyengébb sav-bázis párosnak kedvez. A reakciók során keletkező \(H_3O^+\) koncentráció azonban elég nagy ahhoz, hogy az oldat \(pH\) értéke jelentősen csökkenjen: az ammónium-klorid vagy a piridinium-klorid 0,10 M-os oldatának \(pH\) értéke 25°C-on 5,13, illetve 3,12 lesz.

Mi történik egy só, például az ammónium-acetát vizes oldatával, ahol mind a kation, mind az anion külön-külön reagálhat vízzel, és így sav, illetve bázis keletkezik? A 16.10. ábra szerint az ammóniumion csökkenti a \(pH\) értékét, míg a 16.9. ábra szerint az acetátion növeli a \(pH\) értékét. Ez a konkrét eset annyiban szokatlan, hogy a kation ugyanolyan erős sav, mint az anion bázis (pKa ≈ pKb). Következésképpen a két hatás kioltja egymást, és az oldat semleges marad. Az olyan sók esetében, amelyekben a kation erősebb sav, mint az anion bázis, a végső oldat \(pH\) < 7,00. Ezzel szemben, ha a kation gyengébb sav, mint az anion bázis, a végső oldat \(pH\) > 7,00.

Savas fémionok

A fémionok egyszerű sóinak oldata is lehet savas, még akkor is, ha a fémion nem tud közvetlenül protont adni a víznek, hogy \(H_3O^+\) keletkezzen. Ehelyett a fémion Lewis-savként viselkedhet, és kölcsönhatásba léphet a vízzel, a Lewis-bázissal, az oxigénatom magányos elektronpárjának koordinációjával, hidratált fémiont képezve (\(\(\PageIndex{1a}\) ábra). A fémionhoz koordinált vízmolekula két okból savasabb, mint a szabad vízmolekula. Először is, a pozitív töltésű fémion és a koordinált vízmolekula részben pozitív töltésű hidrogénatomjai közötti taszító elektrosztatikus kölcsönhatások miatt a koordinált víz könnyebben veszít egy protont.

Ábra \(\PageIndex{1}\)

Második, az \(Al^{3+}\) ion pozitív töltése elektronsűrűséget vonz a vízmolekulák oxigénatomjaiból, ami csökkenti az elektronsűrűséget az \(\ce{O-H}\) kötésekben, ahogy az \(\PageIndex{1b}\) ábrán látható. Mivel az \(O\) atomok és a H atomok között kisebb az elektronsűrűség, a \(\ce{O-H}\) kötések gyengébbek, mint a szabad \(H_2O\) molekulában, így könnyebb elveszíteni egy \(H^+\) iont.

A hatás nagysága a következő két tényezőtől függ (\(\(\PageIndex{3}\) ábra):

1. A fémion töltése. Egy kétértékű ion (\(M^{2+}\)) körülbelül kétszer olyan erős hatással van a koordinált vízmolekula elektronsűrűségére, mint egy azonos sugarú egyértékű ion (\(M^+\)).
2. A fémion sugara. Azonos töltésű fémionok esetén minél kisebb az ion, annál rövidebb az internukleáris távolság a vízmolekula oxigénatomjától, és annál nagyobb a fém hatása a vízmolekulán belüli elektronsűrűség-eloszlásra.

Ezért a kis, nagy töltésű fémionok, mint például az \(Al^{3+}\) és \(Fe^{3+}\) vizes oldatai savasak:

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

Az \(^{3+}\) ion \(pK_a\) értéke 5,0, így majdnem olyan erős sav, mint az ecetsav. A korábban ismertetett két tényező miatt a fémionnak a koordinált vízmolekulák savasságára gyakorolt hatásának előrejelzéséhez a legfontosabb paraméter a fémion töltés-sugár aránya. A periódusos rendszerben egy átlós vonalon elhelyezkedő számos fémionpár, mint például \(Li^+\) és \(Mg^{2+}\) vagy \(Ca^{2+}\) és \(Y^{3+}\), különböző méretű és töltésű, de hasonló töltés-sugár arányú. Ennek eredményeként ezek a fémionpárok hasonló hatással vannak a koordinált vízmolekulák savasságára, és gyakran más jelentős kémiai hasonlóságokat is mutatnak.

Savas fémionok

A kis, nagy töltésű fémionok oldatai vízben savasak.

Az ebben a fejezetben tárgyaltakhoz hasonló reakciókat, amelyekben egy só vízzel reagálva savas vagy bázikus oldatot kap, gyakran nevezik hidrolízisreakcióknak. Külön nevet használni erre a reakciótípusra nem szerencsés, mert azt sugallja, hogy ezek valahogyan különböznek egymástól. Valójában a hidrolízisreakciók csak sav-bázis reakciók, amelyekben a sav egy kation, illetve a bázis egy anion; ugyanazoknak az elveknek és szabályoknak engedelmeskednek, mint az összes többi sav-bázis reakció.

Hidrolízis

A hidrolízisreakció egy sav-bázis reakció.

Példa \(\PageIndex{1}\)

Mondja meg, hogy ezeknek a vegyületeknek a vizes oldatai savasak, bázisosak vagy semlegesek.

1. \(KNO_3\)
2. \(CrBr_3 \cdot H_2O\)
3. \(Na_2SO_4\)

Adott: vegyület

Kérdezett: Vizes oldat savassága vagy bázicitása

Stratégia:

1. Értelmezze a kation és az anion sav-bázis tulajdonságait. Ha a kation gyenge Lewis-sav, akkor nem befolyásolja az oldat \(pH\) értékét. Ha azonban a kation egy gyenge bázis vagy egy viszonylag nagy töltésű fémkation konjugált sava, akkor a vízzel reakcióba lépve savas oldatot hoz létre.
2. Ha az anion egy erős sav konjugált bázisa, akkor nem befolyásolja az oldat \(pH\) értékét. Ha azonban az anion egy gyenge sav konjugált bázisa, az oldat bázikus lesz.

Az oldat:

a

1. Az \(K^+\) kation kis pozitív töltéssel (+1) és viszonylag nagy sugárral rendelkezik (mivel a periódusos rendszer negyedik sorában áll), ezért nagyon gyenge Lewis-sav.
2. Az \(NO_3-\) anion egy erős sav konjugált bázisa, tehát lényegében nincs bázikus jellege (16.1. táblázat). Ezért sem a kation, sem az anion nem reagál vízzel \(H^+\) vagy \(OH^-\) keletkezésével, és az oldat semleges lesz.

b.

1. Az \(Cr^{3+}\) ion egy viszonylag nagy töltésű fémkation, amelynek az \(Al^{3+}\) ionhoz hasonlóan kell viselkednie és a 3+ komplexet képeznie, amely gyenge savként viselkedik: \^{3+}_{(aq)} \ce{ <=>>} Cr(H_2O)_5(OH)]^{2+}_{(aq)} + H^+_({aq)}\]
2. Az \(Br^-\) anion nagyon gyenge bázis (az erős sav \(HBr\) konjugált bázisa), így nem befolyásolja az oldat \(pH\) értékét. Ezért az oldat savas lesz.

c.

1. Az \(Na^+\) ion, akárcsak a \(K^+\), nagyon gyenge sav, ezért nem befolyásolhatja az oldat savasságát.
2. Az \(SO_4^{2-}\) ezzel szemben a \(HSO_4^-\) konjugált bázisa, amely gyenge sav. Ezért az \(SO_4^{2-}\) ion a 16.6. ábrán látható módon reagál a vízzel, és enyhén bázikus oldatot kap.

Feladat \(\PageIndex{1}\)

Jósolja meg, hogy az alábbiak vizes oldata savas, bázikus vagy semleges.

1. \(KI\)
2. \(Mg(ClO_4)_2\)
3. \(NaHS\)

Válasz a

semleges

Válasz b

savas

Válasz c

bázikus (az alábbiak miatt \(HS^-\) reakciója vízzel \(H_2S\) és \(OH^-\) képződik)