Konjugovaný pár

(Presmerované z Konjugovaná zásada)
Kyseliny a zásady
Acetic-acid-dissociation-3D-balls.png
Acidobázická homeostázaAcidobázická reakciaAmfotérna zlúčeninaAutoprotolýza vodyDisociačná konštantaExtrakciaFrustrovaný Lewisov párFunkcia kyslostiHammettova funkcia kyslostiChirálna Lewisova kyselinaKatalýza Lewisovou kyselinouKonjugovaný párKyselinapHProtónová afinitaRovnovážna chémiaSila kyselínTitráciaTlmivý roztokZásada
Druhy kyselín
Brønsted–LowryLewisAkceptorMinerálneOrganickéOxidySilnéSlabéSuperkyselinyPevné
Druhy zásad
Brønsted–LowryLewisDonorOrganickéOxidySilnéSlabéSuperzásadyNenukleofilné

Konjugovaný pár je v Brønstedovej teórii dvojica kyseliny a zásady, ktoré sa líšia o jeden protón (katión H+).[1] Keď kyselina odštiepi protón, vzniká z nej konjugovaná zásada (vzniká totiž zásada schopná protón prijať), a naopak, keď zásada prijme protón, vzniká z nej konjugovaná kyselina (ktorá je zase schopná protón odovzdať).[2] Keďže niektoré kyseliny môžu odštiepiť viac protónov (sú to viacsýtne kyseliny), môžu i konjugované zásady byť kyseliny. Amfotérne rozpúšťadlá môžu tvoriť konjugovanú kyselinu i konjugovanú zásadu,[3] tento vzťah teda popisuje relatívnu polohu protónu medzi dvoma látkami.

Konjugované páry možno zapísať nasledujúcou chemickou rovnicou:

Johannes Nicolaus Brønsted a Martin Lowry publikovali svoju teóriu kyselín a zásad, podľa ktorej je každá látka schopná odštiepiť protón kyselinou a látka, ktorá tento protón príjme, je zásadou. Protón je nukleón, ktorý má kladný náboj, a často sa značí ako H+, pretože sa z neho skladá jadro atómu vodíka,[4] teda vodíkový katión. (Vodíkový katión však môže obsahovať i jeden alebo dva neutróny, súhrnný názov pre všetky vodíkové katióny je hydrón.)

Katión môže byť konjugovanou kyselinou a anión môže byť konjugovanou zásadou, podľa toho, o akú látku ide a podľa ktorej acidobázickej teórie je hodnotená. Najjednoduchším aniónom, ktorý môže byť konjugovanou zásadou, je solvatovaný elektrón, ktorého konjugovaná kyselina je atóm vodíka.

Acidobázické reakcieUpraviť

V acidobázických reakciách reaguje kyselina so zásadou, čím vzniká konjugovaná zásada a konjugovaná kyselina. Kyselina stráca protón a zásada ho prijíma. V chemických diagramoch sa táto nová väzba, ktorá vzniká medzi zásadou a protónom, naznačuje šípkou, ktorá začína u elektrónového páru zásady a končí u protónu (vodíkového katiónu), ktorý sa prenáša:

 

V tomto prípade je voda konjugovanou kyselinou hydroxidového iónu po tom, čo prijíme vodíkový katión od amónneho katiónu. Amoniak je konjugovanou zásadou amónneho katiónu (amónia), ktorý je v tomto prípade kyselinou a odovzdal protón hydroxidovému aniónu. V opačnej reakcii, teda reakcii medzi vodou a amoniakom, možno hydroxidový anión pokladať za konjugovanú zásadu vody, pretože voda stráca protón. Amónny katión je potom konjugovanou kyselinou amoniaku, ktorá vzniká po prijatí protónu. Označenia "kyselina", "zásada", "konjugovaná kyselina" a "konjugovaná zásada" teda nie sú nemenné a závisia na reagujúcich látkach a prebiehajúcich reakciách.

Sila konjugovaných kyselín a zásadUpraviť

Sila konjugovanej kyseliny je priamo závislá na jej disociačnej konštante.[5] Ak je konjugovaná kyselina silná, jej disociácia bude mať vyššiu rovnovážnu konštantu a teda budú zvýhodnené produkty reakcie. Sila konjugovanej zásady sa dá popísať ako tendencia látky "priťahovať" protóny. Ak je konjugovaná kyselina silná, bude štiepiť protón len veľmi ťažko a v roztoku jej kyselina bude disociovať len málo.

Ak je látka silnou kyselinou, jej konjugovaná zásada bude slabá.[6] Príkladom je disociácia kyseliny chlorovodíkovej, HCl, vo vode. Keďže HCl je silná kyselina (disociuje prakticky úplne), jej konjugovaná zásada (chloridový anión, Cl-) bude slabou konjugovanou zásadou. Preto bude v tomto systéme väčšina vodíkových katiónov, H+, viazaná na vodu v podobe oxónia, H3O+, namiesto viazaného na chloridový anión. Konjugovaná zásada je slabšia než voda.

Naopak, ak je látka klasifikovaná ako slabá kyselina, jej konjugovaná zásada nemusí byť silnou zásadou. Napríklad v prípade octanu, konjugovanej zásady kyseliny octovej, má disociačná konštanta Kb hodnotu blízku 5,6×10−10, takže je to slabá zásada. Aby látka mala silnú konjugovanú zásadu, musí byť veľmi slabou kyselinou, ako je to napríklad u vody.

Určovanie konjugovaných párovUpraviť

Na určenie konjugovaných páov je nutné pozrieť sa na podobné látky. Acidobázické reakcie je možné vnímať ako "stav pred" a "stav po". "Stav pred" predstavujú reaktanty, "stav po" predstavujú produkty danej reakcie. Konjugovaná kyselina na strane produktov (v "stave po") prijíma vodíkový ión, takže na strane reaktantov (v "stave pred") je zásadou tá látka, ktorý má o jeden protón menej než daná konjugovaná kyselina.Konjugovaná zásada na strane produktov (v "stave po") naopak stráca vodíkový ión a prislúcha k nej látka na strane reaktantov (v "stave pred"), ktorá má o jeden vodíkový ión viac, čo z nej robí kyselinu.

V tejto reakcii

HNO3 + H2O → H3O+ + NO3-

je kyselina dusičná kyselina, pretože štiepi protón, ktorý prijíma molekula vody, a jej konjugovanou zásadou je dusičnan (NO3-). Molekula vody je v tejto reakcii zásada, pretože prijíma vodíkový katión (protón) a jej konjugovanou kyselinou je oxónium (H3O+).

Reakcia Kyselina Zásada Konjugovaná zásada Konjugovaná kyselina
HClO2 + H2O → ClO2- + H3O+ HClO2 H2O ClO2- H3O+
ClO- + H2O → HClO + OH- H2O ClO- OH- HClO
HCl + H2PO4- → Cl- + H3PO4 HCl H2PO4- Cl- H3PO4

PoužitieUpraviť

Jedno z použití konjugovaných párov je v príprave tlmivých roztokov (pufrov). V pufroch sa používa slabá kyselina a jej konjugovaná zásada (v podobe soli) alebo slabá zásada a jej konjugovaný kyselina na obmedzenie zmeny pH počas titrácií. Pufre majú organické i neorganické použitie. Okrem tlmivých roztokov v laboratóriu je významným tlmivým roztokom napríklad ľudská krv, ktorá si udržiava približne rovnaké pH.[5] Najdôležitejšou súčasťou tlmivého roztoku krvi je bikarbonátový tlmivý systém, ktorý pomáha predchádzať veľkým zmenám pH, keď sa do krvi dostane oxid uhličitý (CO2).[7] Prebieha nasledovná reakcia:

 

Bikarbonátový pufrový systém je hlavným tlmivým roztokom v extracelulárnom priestore. Hlavnými intracelulárnymi pufrovacími látkami sú fosforečnany a proteíny.[7]

Nižšie v tabuľke sú najpoužívanejšie pufre:

Tlmivá látka pKa Použiteľné rozpätie pH
Kyselina citrónová 3,13, 4,76, 6,40 2,1 – 7,4
Kyselina octová 4,8 3,8 – 5,8
KH2PO4 7,2 6,2 – 8,2
CHES 9,3 8,3 – 10,3
Kyselina boritá 9,24 8,25 – 10,25

Tlmivé roztoky sa vytvárajú i s organickými zlúčeninami, ako je to napríklad s kyselinou octovou. Kyselina octová, CH3COOH, je slabá kyselina, ktorú možno zmiešať s roztokom jej konjugovanej zásady, CH3COO-, v podobe soli, napríklad octanu sodného. Výsledný roztok je zmesou kyseliny octovej a octanu sodného a nazýva sa octanový pufer.[8] Okrem kyseliny octovej možno použiť mnohé iné slabé organické kyseliny, ktoré sa používajú na tvorbu rôznych tlmivých roztokov vhodných pre rôzne rozmedzia pH.

Ringerov roztok je príkladom roztoku, v ktorom sa organická kyselina, kyselina mliečna, CH3CH(OH)COOH, zmieša so sodnými, draselnými a vápenatými katiónmi a chloridovými anióni v destilovanej vode.[9] Tým vzniká roztok, ktorý je izotonický voči ľudskej krvi a používa sa na dopĺňanie tekutín po strate krvi kvôli úraze, operácii alebo popálení.[10]

Zoznam kyselín a ich konjugovaných zásadUpraviť

V tabuľke nižšie je zoznam niekoľkých kyselín a ich konjugovaných zásad. Všetky páry sa líšia len o vodíkový katión (H+), čo z nich robí konjugovaný pár. Sila kyselín sa znižuje a sila konjugovanej zásady rastie v tabuľke smerom dole.

Kyselina Konjugovaná zásada
Vzorec Názov Vzorec Názov
H2F+ Fluorónium HF Fluorovodík
HCl Chlorovodík Cl Chlorid
H2SO4 Kyselina sírová HSO
4
Hydrogensíran
HNO3 Kyselina dusičná NO
3
Dusičnan
H3O+ Oxónium H2O Voda
HSO
4
Hydrogensíran SO2−
4
Síran
H3PO4 Kyselina fosforečná H2PO
4
Dihydrogenfosforečnan
CH3COOH Kyselina octová CH3COO Octan
HF Fluorovodík F Fluorid
H2CO3 Kyselina uhličitá HCO
3
Hydrogenuhličitan
H2S Sulfán HS Hydrogensulfid
H2PO
4
Dihydrogenfosforečnan HPO2−
4
Hydrogenfosforečnan
NH+
4
Amónium NH3 Amoniak
H2O Voda (pH = 7) OH Hydroxid
HCO
3
Hydrogenuhličitan CO2−
3
Uhličitan

Zoznam zásad a ich konjugovaných kyselínUpraviť

V tabuľke nižšie je zoznam niekoľkých zásad a ich konjugovaných kyselín. Sila zásady sa znižuje a sila konjugovanej kyseliny rastie v tabuľke smerom dole.

Zásada Konjugovaná kyselina
Vzorec Názov Vzorec Názov
C2H5NH2 Etylamín C2H5NH3+ Etylamónium
CH3NH2 Metylamín CH3NH3+ Metylamónium
NH3 Amoniak NH4+ Amónium
C5H5N Pyridín C5H6N+ Pyridínium
C6H5NH2 Anilín C6H5NH3 Fenylamónium
C6H5COO- Benzoát C6H5COOH Kyselina benzoová
F- Fluorid HF Fluorovodík
PO3−
4
Fosforečnan HPO2−
4
Hydrogenfosforečnan
OH Hydroxid H2O Voda (pH = 7)
HCO3- Hydrogenuhličitan H2CO3 Kyselina uhličitá
CO32- Uhličitan HCO3- Hydrogenuhličitan
Br- Bromid HBr Bromovodík
HPO2−
4
Hydrogenfosforečnan H2PO
4
Dihydrogenfosforečnan
Cl Chlorid HCl Chlorovodík
H2O Voda (pH = 7) H3O+ Oxónium
NO2- Dusitan HNO2 Kyselina dusitá

ReferencieUpraviť

  1. Brönstedova teória. In: BÍNA, Jaroslav. Malá encyklopédia chémie. Bratislava : Obzor, 1981. S. 151.
  2. Zumdahl, Stephen S., & Zumdahl, Susan A. Chemistry. Houghton Mifflin, 2007, ISBN 0618713700
  3. amfotérne zlúčeniny. In: BÍNA, Jaroslav. Malá encyklopédia chémie. Bratislava : Obzor, 1981. S. 91.
  4. Brønsted–Lowry theory | chemistry [online]. . Dostupné online. (po anglicky)
  5. a b VOET, Donald. Biochemistry. Hoboken, NJ : John Wiley & Sons, 2011. (4th edition.) Dostupné online. ISBN 978-0-470-57095-1. S. 45, 48.
  6. Strength of Conjugate Acids and Bases Chemistry Tutorial [online]. . Dostupné online.
  7. a b WIDMAIER, Eric P.. Vander's human physiology : the mechanisms of body function. New York, NY : [s.n.], 2016. (Fourteenth edition.) Dostupné online. ISBN 978-1-259-29409-9. S. 517.
  8. Acetate Buffer (pH 3.6 to 5.6) Preparation and Recipe | AAT Bioquest [online]. www.aatbio.com, [cit. 2022-12-04]. Dostupné online.
  9. British national formulary: BNF 69. 69. vyd. [s.l.] : British Medical Association, 2015. ISBN 9780857111562. S. 683.
  10. PESTANA, Carlos. Pestana's Surgery Notes. Fifth. vyd. [s.l.] : Kaplan Medical Test Prep, 7 April 2020. ISBN 978-1506254340. S. 4–5.

Pozri ajUpraviť

ZdrojUpraviť

Tento článok je čiastočný alebo úplný preklad článku Conjugate (acid-base theory) na anglickej Wikipédii.