Номер 7, страница 368 - гдз по химии 10 класс учебник Еремин, Кузьменко

7. Какие частицы преобладают в растворе аланина при pH, равном:

а) 2;

б) 6;

в) 10?

Аланин ($CH_3-CH(NH_2)-COOH$) – это аминокислота, которая в водном растворе может существовать в трех основных формах в зависимости от кислотности (pH) среды. Это связано с наличием кислотной карбоксильной группы ($-COOH$) и основной аминогруппы ($-NH_2$).

Состояние этих групп характеризуется константами кислотности ($pKa$):

• Карбоксильная группа: $pKa_1 \approx 2.34$
• Аминогруппа (в протонированной форме $-NH_3^+$): $pKa_2 \approx 9.69$

Равновесия в растворе можно представить следующей схемой:

$ \underset{\text{Катион (pH < pKa}_1\text{)}}{H_3N^+-CH(CH_3)-COOH} \xrightleftharpoons[H^+]{pKa_1} \underset{\text{Цвиттер-ион (pKa}_1\text{ < pH < pKa}_2\text{)}}{H_3N^+-CH(CH_3)-COO^-} \xrightleftharpoons[H^+]{pKa_2} \underset{\text{Анион (pH > pKa}_2\text{)}}{H_2N-CH(CH_3)-COO^-} $

Изоэлектрическая точка (pI) — это значение pH, при котором преобладает цвиттер-ион (биполярный ион), а суммарный заряд молекулы равен нулю. Для аланина $pI = (pKa_1 + pKa_2) / 2 = (2.34 + 9.69) / 2 \approx 6.02$.

Рассмотрим каждый случай:

а) при pH = 2

Значение $pH = 2$ меньше, чем $pKa_1$ (2 < 2.34). В такой сильнокислой среде концентрация ионов $H^+$ высока. Это приводит к тому, что основная аминогруппа присоединяет протон, превращаясь в $-NH_3^+$, а кислотная карбоксильная группа также остается протонированной (недиссоциированной) в виде $-COOH$. Таким образом, молекула аланина имеет положительный заряд и существует преимущественно в катионной форме.

Ответ: Преобладает катионная форма аланина: $H_3N^+-CH(CH_3)-COOH$.

б) при pH = 6

Значение $pH = 6$ очень близко к изоэлектрической точке аланина ($pI \approx 6.02$). В этих условиях карбоксильная группа, у которой $pKa_1 = 2.34$, уже отдала свой протон (так как $6 > 2.34$) и превратилась в отрицательно заряженную группу $-COO^-$. В то же время аминогруппа, у которой $pKa_2 = 9.69$, еще не отдала свой протон (так как $6 < 9.69$) и остается в протонированной, положительно заряженной форме $-NH_3^+$. В результате молекула представляет собой биполярный ион (цвиттер-ион) с нулевым суммарным зарядом.

Ответ: Преобладает биполярный ион (цвиттер-ион): $H_3N^+-CH(CH_3)-COO^-$.

в) при pH = 10

Значение $pH = 10$ больше, чем $pKa_2$ (10 > 9.69). В такой сильнощелочной среде концентрация ионов $H^+$ низка. Это приводит к тому, что не только карбоксильная группа (так как $10 > 2.34$), но и протонированная аминогруппа отдает протон, превращаясь в нейтральную группу $-NH_2$. Молекула аланина приобретает отрицательный заряд и существует преимущественно в анионной форме.

Ответ: Преобладает анионная форма аланина: $H_2N-CH(CH_3)-COO^-$.