Syrer og baser. 2 4 Syrer og baser

Transkript

1 Syrer og baser Syrer og baser Når du er ferdig med dette kapitlet, skal du kunne a definere syre og base og gjøre rede for syre-basereaksjoner b gjøre beregninger med K a, K b og K w c måle ph med ulike metoder og beregne ph i sterke og svake syrer og baser d planlegge og gjennomføre syre-basetitreringer, begrunne valg av indikator og tolke titrerkurver e gjøre rede for protolyse av salter og gasser i vann 1 Er surt det motsatte av søtt? Har lut noe med syrer og baser å gjøre? Har en konsentrert syre ph = 0? Er en syre og en sur løsning det samme? 5 Er alle løsninger enten sure, nøytrale eller basiske? 6 Er titrering en analysemetode?

2 .1 Syre-basereaksjoner hydrogenioner blir overført 000. ph surhetsgrad med [H O ] som mål 000. Salter og gasser i vann surt, nøytralt eller basisk? 000. Syre-basetitrering vi måler [H O ] og [OH ] i en løsning 000 Visste du at ph i blodet ditt hele tiden må være rundt 7,? Kroppen din bruker mye energi på syre-basebalansen, og både lunger, blod og nyrer er involvert. Normalt klarer kroppen dette godt selv, men ved alvorlige sykdommer kan denne reguleringen svikte, noe som er livstruende. Kunnskaper om syrer og baser gjør det mulig å måle, beregne og kontrollere ph, og dette gjør det mulig for legene å sette inn tiltak som vil holde ph på riktig nivå hos en alvorlig syk pasient. Både i laboratorier og i industrien blir det brukt syrer og baser. Du finner dem også mange steder i dagliglivet, for eksempel i mange mat- og drikkevarer. I magen har vi saltsyre, som både bidrar til fordøyelsen og virker bakteriedrepende. I bilbatterier er det svovelsyre. Baser finner vi for eksempel i mange rengjørings midler. Lut er en sterk basisk løsning som brukes til behandling av nytt treverk, som malingsfjerner og til å lage lutefisk. Når vi nå skal lære mer om syrer og baser, skal vi gå inn på mikronivå og se hva som skjer i syre-basereaksjoner. Hovedrollen spilles av det aller minste ionet som finnes hydrogenionet. Mål a Når du har arbeidet med.1, skal du kunne definere syre og base og gjøre rede for syre-basereaksjoner. p e p e Et hydrogenion, H, er et H- atom som har mistet sitt elektron. Et H-ion og et proton er det samme..1 Syre-basereaksjoner hydrogenioner blir overført Definisjonen av syrer og baser er utviklet gjennom en lang historisk prosess, og den vi skal bruke her, ble satt fram i 19 av dansken Johannes Brønsted ( ) og engelskmannen Thomas M. Lowry ( ) uavhengig av hverandre. Den kalles derfor Brønsted- Lowrys syre-basedefinisjon. Vi bruker den her fordi den er velegnet til å forstå hva som skjer i syre-base reaksjonene. Hovedrollen i syre-basereaksjoner blir spilt av hydrogenioner. Et hydrogenion, H, er et H-atom som har mistet sitt elektron. Da er det bare atomkjernen igjen. Et H -ion er derfor det samme som et proton. I dette kapitlet skal du se at enkelte stoffer har den egenskapen at de kan avgi H -ioner, mens andre stoffer kan ta dem opp. Det er nettopp slike hydrogenionoverføringer som blir kalt syre-basereaksjoner, eller også protolyse.

3 Syrer og baser Vi kan som eksempel studere reaksjonen mellom ammoniakkgass (NH ) og hydrogenkloridgass (HCl): NH (g)hcl(g) NH Cl(s) H Syre-basedefinisjonen har utviklet seg gjennom en lang summerte den engelske kjemikeren Robert Boyle hva som til da var kjent om syrer og baser: «Syrer har sur smak, de løser opp mange stoffer, de virker etsende, de forandrer fargen til plantefargestoffer, og de mister syrekarakteren hvis de blandes med baser, eller alkalier, som de også kalles.» I denne reaksjonen overføres et H -ion fra hydrogenklorid til ammoniakk, altså er det en syre-basereaksjon. HCl-molekylet avgir et H - ion, og er derfor en syre. NH -molekylet tar opp et H -ion og er derfor en base. Reaksjonen mellom ammoniakkgass og hydrogenkloridgass illustrerer et viktig poeng: Det må være både en syre og en base til stede for at det skal skje en syre-basereaksjon. En syre er definert som et stoff som kan avgi hydrogenioner, mens en base definert som et stoff som kan motta hydrogenioner. Syre-basedefinisjonen de stoffene som reagerer. avgir hydrogenioner, kaller vi syrer, mens stoffer som tar opp hydrogenioner, kaller vi baser. Fordi de fleste syre-basereaksjoner foregår i vannløsninger, skal vi se nærmere på hvordan syrer og baser reagerer med vann. Syre i vann det blir dannet H O -ioner Hvis vi løser hydrogenkloridgass i vann, får vi saltsyre. Denne likevekten innstiller seg: HCl(g) H O(l) HO (aq) Cl (aq) Noen virkninger av syre: H 1 Legg noen biter av Zn og Cu i hvert sitt reagensglass med 10 % HCl. Hvilket av metallene reagerer? Det dannes hydrogengass og et salt. Klarer du å skrive reaksjonslikningen? (CaCO Karbonater spaltes i sur løsning til karbondioksidgass og vann. Skriv reaksjonslikning. hydrogenklorid vann oksoniumion kloridion (syre i vann) ( surløsning ) I denne reaksjonen overføres ett H -ion fra hydrogenklorid molekylet til vannmolekylet. Hydrogenklorid er en syre ifølge Brønsted-Lowrys definisjon. Vannet mottar ett H -ion og er ifølge den samme definisjonen en base. Det vil si at det ikke dannes noen sur løsning uten at det samtidig finnes en base som kan motta et H -ion fra syra. Tilsvarende dannes det ingen basisk løsning uten at det samtidig finnes en syre som kan gi fra seg et H -ion. H -ionet har så stor evne til å reagere at det ikke kan eksistere i fri tilstand i en løsning. Det må alltid være bun-

4 .1 Syre basereaksjoner 5 1 Sjekk fargen til avkok av rødkål og blåbærsaft i sur og basisk løsning. «grønnklokke» ved å sette en blåklokke i henholdsvis en fortynnet eddiksyreløsning og en fortynnet ammoniakkløsning. det til et vannmolekyl. Et slikt hydratisert H -ion kaller vi et oksoniumion, H O. Men istedenfor H O (aq) skriver vi likevel ofte H (aq). Legg også merke til at en sur løsning alltid er en vannholdig løsning. Syre og sur løsning O -ioner. Undersøk om iseddik leder elektrisk strøm. Tilsett vann og undersøk leder elektrisk strøm. Siden et H -ion er det samme som et proton, har det i reaksjonen skjedd en protonovergang, en protolyse. Syrer og baser blir med et felles navn kalt protolytter. Protolytter vil inneholde både positive og nega tive ioner, og vil derfor lede strøm. Protonovergangen (hydrogenionovergangen) fra saltsyre til vann kan illustreres ved hjelp av kalottmodeller og elektronformler, som vist på figuren. Gjør det samme med heksan. Kalottmodell av reaksjonen mellom hydrogenklorid og vann. Et H -ion blir overført fra hydrogenklorid til vann. Elektronformlene vises også. Vi ser at oktettregelen er oppfylt både for molekylene og for ionene. H H x H H Cl O O H H H Cl x x H O H O H x x H H x Cl Cl Løsningene som er foreslått til karet til venstre, leder ikke elektrisk strøm. Det skjer ingen H -overgang, og det blir ikke dannet ioner. Løsningene som er foreslått til karet til høyre, leder elektrisk strøm. Her dannes det ioner som kan lede den elektriske strømmen gjennom løsningen. Iseddik Rent vann Heksan Hydrogenklorid løst i heksan Eddiksyre Saltsyre (HCl(g) løst i vann)

5 6 Syrer og baser Base i vann det blir dannet OH -ioner Når ammoniakkgass (NH ) løses i vann, skjer denne reaksjonen: NH (aq) H O (l) NH (aq) H OH (aq) ammoniakk vann ammoniumion hydroksidion (base i vann) (basisk løsning) Ammoniakkmolekylet tar opp et H -ion og er derfor en base. Vann gir fra seg et H -ion og er her en syre. Kalottmodell av reaksjonen mellom ammoniakk og vann. Vannet har gitt fra seg et H -ion til ammoniakk. Elektronformlene vises også. Vi ser at oktettregelen er oppfylt både for molekylene og for ionene. H H H H H N H O N O H H H H H x N x H x x H O H N x H O x H H H H H x x x x Base og basisk løsning OH -ioner. Gjør oppgave:.1 og. 1 Hva er en sur løsning, og hva er en basisk løsning? Hva består egentlig et hydrogenion av? Hva er en protolyse? 5 Hvorfor kaller vi syrer og baser protolytter? Syrestyrke evne til å avgi hydrogenioner Du har sikkert hørt om sterke og svake syrer. Men hva er det egentlig som bestemmer om en syre er sterk eller svak? Vi kan sammenlikne styrken i to syrer ved å sammenlikne den elektriske ledningsevnen til løsninger med samme konsentrasjon av syrene i vann. Ledningsevnen til en vannløsning avhenger av konsentrasjonen av ioner i løsningen.

6 .1 Syre basereaksjoner 7 Det er tilsatt like store stoffmeng der i de to karene. HClløsningen gir et sterkt lys. Det viser at et stort antall HClmolekyler har avspaltet H - ioner i vann. HCl er en sterk syre. Eddiksyreløsningen (CH svakt lys, for den avspalter få H -ioner. Eddiksyre er en svak syre. Hell lllitt konsentrert svovelsyre i et begerglass med vann mens temperaturen måles med et termometer eller en temperatursensor koplet til en datalogger. HO Cl HO HO Cl Cl HO Cl Vi lager to enkle apparater for å måle ledningsevnen, som vist på figuren. I det ene karet har vi 0,1 mol/l saltsyre og i det andre 0,1 mol/l eddiksyre. Vi har altså tilført like store stoffmengder syre i de to karene. Forsøket viser at saltsyreløsningen er en langt bedre strømleder enn eddik syreløsningen. Det må bety at saltsyreløsningen inneholder mange flere ioner enn eddiksyreløsningen. En mye større andel av saltsyremolekylene enn av eddiksyremolekylene har avgitt H -ioner til vannet og dannet ioner. I de to likevektene HCl(g) H O(l) H O (aq) Cl (aq) CH COOH(l) H O(l) H O (aq) CH COO (aq) HO HA HA A HA 0,1 mol/l HCl-løsning 0,1 mol/l HA-løsning er den første mye sterkere forskjøvet mot høyre enn den andre. Hydrogenklorid er praktisk talt fullstendig protolysert i vann. Det er derfor nesten ingen hydrogenkloridmolekyler i løsningen. Bare en liten del av eddiksyremolekylene protolyserer. I en 0,1 mol/l eddiksyreløsning er det bare 1, % av eddiksyre molekylene som er protolysert. Vi sier derfor at saltsyre er en sterk syre, og at eddiksyre er en svak syre. Legg merke til at begrepet syrestyrke ikke er knyttet til konsentrasjonen av en syre. Saltsyre er en sterk syre selv om konsentrasjonen er lav, og eddiksyre er en svak syre selv om konsentrasjonen er høy. Ha litt sukker i et lite begerglass, og hell litt konsentrert svovelsyre over slik at sukkeret fuktes Sterk og svak syre -ioner og vil protolysere fullstendig i vann. -ioner og vil bare delvis protolysere i vann.

7 8 Syrer og baser Sterke syrer Det finnes relativt få sterke syrer. De seks mest vanlige sterke syrene er satt opp i tabellen. Syrenavn syre vann oksoniumion negativt ion Navn på negativt ion (syrerest) Perklorsyre H O H O perklorat Saltsyre HCl H O H O klorid Hydrogen bromid HBr H O H O Br bromid Hydrogenjodid O H O jodid Salpetersyre HNO H O H O NO nitrat Svovelsyre H SO O O SO sulfat De fem første syrene i tabellen kalles enprotiske syrer. De kan avgi ett H -ion for hvert molekyl av syra som deltar i en protolyse. Svovelsyre er en toprotisk syre. Hvert molekyl kan avgi to protoner i en protolyse. Vi sier at svovelsyra protolyserer i to trinn. 1. trinn: HSO HO HO HSO H. trinn: HSO H O H O SO H I det første protolysetrinnet er protolysen nesten fullstendig. H SO er derfor en sterk syre. I det andre proto lysetrinnet protolyserer bare noen av hydrogensulfationene ( HSO ). HSO er derfor en middels svak syre. I praksis regner vi med at svovelsyra protolyserer fullstendig i vann. Å finne ionekonsentrasjonen i vannløsninger av sterke syrer Hva er nitratkonsentrasjonen [ NO ] og oksoniumkonsentrasjonen [H O ] Løsning HNO ( aq) H O() l H O ( aq) NO ( aq) Fordi salpetersyre er en sterk syre, regner vi at alle salpetersyremolekylene har protolysert til oksoniumioner og nitrationer. Gjør oppgave:. [ NO ] = [ H O ] =0, 5 mol/l

8 .1 Syre basereaksjoner 9 Svovelsyre (H SO toprotisk syre. Det er den mest brukte syra på verdensbasis, og den lages med utgangspunkt i gassen SO. SO utvinnes fra rent svovel, pyritt (FeS andre svovelforbindelser. Bildet er fra vulkanen Dallol, som ligger i Danakil-ørkenen i Etiopia. Svake syrer Eddiksyre er en svak syre, og når vi løser den i vann, vil denne likevekten innstille seg: CH COOH(l) H O(l) CH COO (aq) H O (aq) Vi kan sette opp likevektsuttrykket: [ CH COO ] [ H O ] K = [ H O] [ CH COOH] Konsentrasjonen av vann står i en særstilling, for den vil være tilnærmet upåvirket så lenge vi tilsetter små mengder eddiksyre. Vi kan derfor multiplisere med [ HO ] på begge sider av likhets tegnet og erstatte K [ HO ] med en konstant som vi kaller K a. (Den lille a-en står for acid.) Den kalles syrekonstanten: [ CH COOH] [ CH COO ] [ H O ] K a =

9 10 Syrer og baser 5 Ved romtemperatur er K a = 181, 0 mol/l for denne likevekten. Den lave verdien av K a forteller oss at likevekten er forskjøvet mot venstre. Hvis vi finner hvor mange prosent av eddiksyre molekylene som protolyserer, finner vi syras protolysegrad. Å finne protolysegraden i svake syrer CH COOH(l) H O(l) H O (aq) CH COO (aq) Finn hvor mange prosent av eddiksyremolekylene som har protolysert hvis vi ved likevekt har at [ HO ] = 0, 00 mol/l. Protolysegrad (%) 100 Sterk syre Løsning 1,0 L løsning inneholde 1,0 mol eddiksyremolekyler. Hvis x mol eddiksyremolekyler protolyserer, forteller reaksjonslikningen at det dannes x mol H O -ioner og x mol CH COO -ioner. Ved likevekt er det da igjen (1,0 x konsentrasjonene [ HO ] [ CH COO ] [ CH COOH] For å finne hvor mange prosent (y vanlig prosentregning: 1,0 y = 0,00, somgir y =0, 100 Protolysegraden er 0, %. Vi kan også regne ut protolysegraden slik: 0,00 100% =0,% 1,0 0 Konsentrasjon Svak syre Protolysegraden for en sterk og for en svak syre som funksjon av syras konsentrasjon. For sterke syrer regner vi med at protolysegraden er 100 % uansett konsentrasjonen av syra. For svake syrer synker protolyse graden når syrekonsentrasjonen øker. Det er altså bare 0, % av eddiksyremolekylene som protolyseres til oksoniumioner og acetationer. Vi sier at protolysegraden for 1,0 mol/l eddiksyre er 0, %. Protolysegraden for en svak syre vil imidlertid øke når syras konsentrasjon minker, som vist i tabellen. Eddiksyrekonsentrasjon Protolysegrad i vann 1, % Ca. 15 % Bak i boka finner du en tabell over syrekonstantene, K a, til de mest vanlige svake syrene. Verdien av syrekonstanten forteller noe om syrestyrken. Jo lavere K a, desto svakere er syra.

10 .1 Syre basereaksjoner 11 Før protolyse Ved likevekt Før protolyse HCI H Cl HF Ved likevekt HF H F Forskjellen på en sterk syre og syra HCl er alle syremolekylene er bare en liten del av syremolekylene protolysert. CI H O H O HF F Syrekonstanten, K a Når vi blander en syre, HA, med vann, innstiller denne likevekten seg: HAHO A HO Vi kan sette opp følgende uttrykk for syrekonstanten K a : [ A ] [ H O ] = [ HA] K a Gjør oppgave:.5,.6 og.7a Jo lavere syrekonstanten er, desto svakere er syra. Sterke syrer har svært høye syrekonstanter, for all syra protolyserer, og [HA] er nesten lik null. Det er derfor ikke vanlig å oppgi syrekonstanter for sterke syrer. Basestyrke evne til å ta opp hydrogenioner På samme måte som for syrer skiller vi mellom sterke og svake baser: Sterk og svak base -ioner og vil protolysere fullstendig i vann. -ioner og vil bare delvis protolysere i vann.

11 1 Syrer og baser Sterke baser De mest vanlige sterke basene kommer fra hydroksider og oksider av metallene i gruppe 1 og, se tabellen nedenfor. Basenavn Formel Reaksjon i vann Natriumhydroksid NaOH NaOH Na OH Kaliumhydroksid KOH KOH K OH Kalsiumhydroksid Ca Bariumhydroksid Ba Natriumoksid Na O Na O H Kalsiumoksid CaO CaO H O Ca Tar vi for oss NaOH, er det i virkeligheten OH -ionet som er basen: NaOH (s) Na (aq) OH (aq) ( løselighetsreaksjon) OHHO HOOH ( syre-basereaksjon) H er en sterk base. Når kaustisk soda løses i vann, utvikles det varme, og vi får en sterk basisk løsning. På bildet ser vi to arbeidere som bruker Plumbo for å løsne propper i dreneringssystemet (uten beskyttelse I den siste reaksjonen ser du at OH -ioner tar opp H -ioner fra vannmolekyler, men resultatet er bare at det blir dannet et nytt OH -ion og et vannmolekyl. Antallet OH -ioner og H O-molekyler i løsningen forandrer seg ikke. Natriumoksid (Na O) og kalsiumoksid (CaO) er ione forbindelser. Når vi løser salter i vann, blir de fullstendig spaltet i ioner. Det er oksidionet O som reagerer med vannmolekylet: CaO(s) Ca (aq) O (aq) (løselighetsreaksjon) O H O OH OH (syre-basereaksjon) H Vi får en basisk løsning.

12 .1 Syre basereaksjoner 1 Å finne ionekonsentrasjonen i en sterk base Ba(OH) -løsning? Løsning Ba(OH) Ba OH 1,0 L Ba(OH), som er fullstendig spaltet Ba(OH) gir 0,00 mol OH -ioner. Konsentrasjonen av hydroksidioner blir Gjør oppgave:.8 og.9 n 0,00 mol c = = = 0,00 mol/l [OH ] = 0,00 mol/l V 1,0 L Svake baser Molekylforbindelsen ammoniakk (NH ) er et eksempel på en svak base. Forsøk har vist at ren ammoniakk ikke leder elektrisk strøm, mens en løsning av ammoniakk i vann derimot har en svak ledningsevne. Reaksjonslikningen er NH (aq) H O(l) NH (aq) OH (aq) H ammoniakk vann ammoniumion hydroksidion Vi kan sette opp følgende likevektsuttrykk: [ NH ] [ OH ] K = [ HO] [ NH] Som da vi behandlet de svake syrene, kan vi betrakte [ HO ] som en konstant. Vi multipliserer med [ HO ] på begge sider av likhetstegnet og kaller K [ HO ] for K b : [ NH ] [ OH ] = [ NH ] K b 5 Ved romtemperatur er K b = 1,8 10 mol/l for denne like vekten. Den lave verdien av K b forteller at likevekten er forskjøvet mot venstre. Hvis vi finner hvor mange prosent av ammoniakk molekylene som er protolysert, kan vi på tilsvarende måte som i eksempel også finne proto lysegraden for den svake basen.

13 1 Syrer og baser Finn basekonstanten i en svak base NH (aq) H O(l) OH (aq) NH (aq) Protolysegraden er 1, % ved likevekt. a Finn [OH ] og [ NH ] ved likevekt. b Sett opp uttrykket for basekonstanten til ammoniakk. Regn ut basekonstanten i denne likevekten. Løsning a av ammoniakkmolekyler som protolyserer, er 010, mol/l 1, = 0, 001 mol/l 100 Reaksjonslikningen viser at det dannes like mange mol hydroksidioner som ammoniumioner, og konsentrasjonen av disse ionene er [ OH ] = [ NH ] = 0, 001 mol/l b Uttrykket for basekonstanten er [ NH ] [ OH ] K b = [ NH ] Konsentrasjonene av [ OH ] og [ NH ] regnet vi ut ovenfor. Ammoniakkonsentrasjonen ved likevekt er [NH Vi setter inn likevektskonsentrasjonene i uttrykket for basekonstanten og får [, 0 001][, 0 001] K = mol/l b [ 0,099] K = 17, 10 5 mol/l b Basekonstanten, K b Når vi blander en base, B, med vann, innstiller denne likevekten seg: B HO BH OH Vi kan sette opp følgende uttrykk for basekonstanten K b : [ BH ] [ OH ] K b = [ B] Jo mindre basekonstanten er, desto svakere er basen. Sterke baser har svært store basekonstanter, for all basen protolyserer og [B] er nesten lik null. Det er derfor ikke vanlig å oppgi basekonstanter for sterke baser.

14 .1 Syre basereaksjoner 15 Gjør oppgave:.10 og.11 1 Hva er en sterk syre? Nevn eksempler på sterke og svake syrer. Skriv uttrykket for syrekonstanten til eddiksyre og uttrykket for basekonstanten til ammoniakk. 5 Hva er forskjellen mellom en sterk og en svak base? Syre-basepar én er sterk og én er svak Alle syre-basereaksjoner er egentlig kjemiske likevekter. For sterke syrer og baser er likevekten forskjøvet så langt mot høyre at vi i praksis regner den for å protolysere fullstendig. For svake syrer og baser er dette ikke tilfellet. La oss nok en gang se på likevekten som innstiller seg når vi løser eddiksyre i vann: CH COOH(l) H O(l) H O (aq) CH COO (aq) I reaksjonen mot høyre avgir eddiksyremolekylet ett H -ion og er altså en syre. I reaksjonen mot venstre tar acetationet, CH COO, opp ett H -ion og er altså en base (se eksempel ). Av den grunn kaller vi eddik syremolekylet og acetationet for et korresponderende syre-basepar: CH COOH CH COO H syre base På samme måte kan vi kalle vannmolekylet, HO, og oksoniumionet, HO, for et korresponderende syre-basepar: HO H HO base syre I en syre-basereaksjon har vi to korresponderende syre-basepar: CH COOH(l) H O(l) H O (aq) CH COO (aq) syre base syre base 1 1 Å finne korresponderende syre-basepar Finn de korresponderende syre-baseparene i disse syre-basereaksjonene: a HCl H O H O Cl b NH H O OH NH Løsning a Saltsyremolekylet og kloridionet er et korresponderende syrebasepar. Det er også vannmolekylet og oksoniumionet: HCl H O H O Cl syre base syre base 1 1

15 16 Syrer og baser HCl er en sterk syre, og likevekten er forskjøvet mot høyre. Cl er en svak base. b Ammoniakkmolekylet og ammoniumionet er korresponderende syre-basepar. Det er også vannmolekylet og hydroksidionet: NH H O OH NH base syre base syre 1 1 Av tabellen nedenfor ser du at jo sterkere en syre er, desto svakere er den korresponderende basen, og at jo sterkere en base er, desto svakere er den korresponderende syra. Legg merke til at «syrene» som står nedenfor ammoniumionet ( NH ), i praksis ikke protolyserer surt i vann. Tilsvarende vil «basene» som står over nitrittionet (NO ), ikke protolysere basisk i vann. For eksempel er den korresponderende basen til saltsyre (HCl) kloridioner (Cl ), som ikke protolyserer basisk. Den korresponderende basen til den svake syra, eddiksyre, er acetationer, og de vil protolysere basisk i vann. Korresponderende syre-basepar dem er ett H -ion. HA H A syre base Gjør oppgave:.1,.1 og.1 base. En sterk base vil ha en korresponderende svak syre. Økende syrestyrke Syre Base HCl saltsyre Cl kloridion H SO svovelsyre HSO hydrogensulfation HNO salpetersyre NO nitration H O oksoniumion H O vann H SO svovelsyrling HSO hydrogensulfittion HSO hydrogensulfation SO sulfation H PO fosforsyre H PO dihydrogenfosfation HNO salpetersyrling NO nitrittion CH COOH eddiksyre CH COO H CO karbonsyre HCO hydrogenkarbonation NH ammoniumion NH ammoniakk HCO hydrogenkarbonation CO karbonation H O vann OH hydroksidion OH hydroksidion O oksidion Økende basestyrke

16 .1 Syre basereaksjoner 17 1 Hva menes med et korresponderende syre-basepar? Hva er korresponderende syre til fluoridionet, F? Hvilken syre har den svakeste korresponderende basen? Vann både syre og base Som du har sett i dette kapitlet, spiller vann en viktig rolle i de fleste syre-basereaksjoner. I reaksjonen med ammoniakk har vannet avgitt et H -ion og er altså en syre. I reaksjonen mellom hydrogenklorid og vann har vann tatt opp et H -ion og er altså en base. Stoffer som kan reagere både som en syre og som en base, kaller vi amfotære stoffer. Vann er altså et amfotært stoff. En løsning av amfotære stoffer kalles en amfolytt. Vann er et amfotært stoff Vann kan reagere både som en syre og som en base, og er altså et amfotært stoff. Vannets ioneprodukt Vi har tidligere sagt at rent vann ikke leder elektrisk strøm. Ved å bruke et fintfølende instrument kan vi se at vann likevel leder elektrisk strøm, men at det har svært dårlig ledningsevne. Det må altså være et lite antall ioner i rent vann. Det skyldes at noen svært få vannmolekyler protolyserer, og denne likevekten innstiller seg: HO HO HO OH Det samme er vist med kalottmodeller og elektronformler nedenfor. H O H O H O OH H x O x H x x H O H O H O x H x x x H H

17 18 Syrer og baser Temperatur ( C) K W (mol/l) 0,1 0,5 1,0 1,5 5, Oversikt over vannets ioneprodukt, K w, ved forskjellige temperaturer. Vi kaller denne reaksjonen vannets egenprotolyse eller autoprotolyse. At vann har liten ledningsevne, viser seg ved at likevekten er sterkt forskjøvet mot venstre. Av 500 millioner vannmolekyler blir bare ett vannmolekyl protolysert. Rent vann inneholder altså få oksoniumioner og hydroksidioner, men like mange av hver. Likevektskonstanten for likevekten over er [ HO ] [ OH ] = K eller [H O ] [ OH ] = K [ HO [ HO] ] I rent vann og i fortynnede vannløsninger betraktes hele K [ HO ] som én konstant. Denne konstanten betegnes K w (w er forkortelse for det engelske ordet water). K w kalles vannets ioneprodukt. Uttrykket blir da [ HO ] [ OH ] = K w Konsentrasjonene av HO og OH er altså omvendt propor sjonale størrelser når den ene øker, minker den andre. Tabellen i margen viser noen verdier av K w ved ulike temperaturer. I beregninger er det vanlig å bruke verdien av K w ved 5 C, det vil si 1 1,0 10 ( mol/l ). Vannets ioneprodukt, K w hydroksidioner alltid tilfredsstille uttrykket 1 K w = [ HO ] [ OH ] = 1,010 ( mol/l) Konstanten kalles vannets ioneprodukt. Nøytralt, surt eller basisk? I rent vann er det like mange oksoniumioner som hydroksidioner. Vi får da 1 7 [ H O ] = [ OH ] = 1,0 10 mol/l = 1,0 10 mol/l og vi sier at løsningen er nøytral. Dersom vi tilsetter syre i en nøytral løsning, vil [ HO ] øke. Ettersom vannets ioneprodukt hele tiden må være det samme, vil det føre til at [ OH ] vil minke. Tilsetter vi derimot base i en nøytral løsning, vil det motsatte skje. [ OH ] øker, og [ HO ] minker.

18 . ph 19 Gjør oppgave:.16 og.18 Sur, basisk og nøytral løsning H O -ioner i forhold til OH -ioner: 7 7 [ H O ] > 1,0 10 mol/l og [ OH ] < 1,0 10 mol/l OH -ioner i forhold til HO -ioner: 7 7 [H O ] < 1,0 10 mol/l og [ OH ] > 1,0 10 mol/l 7 [ HO ] = [ OH ] = 1,010 mol/l. 1 Hva menes med vannets ioneprodukt? Hvordan kan du finne [ HO ] når du kjenner [ OH ]? Vann et universal middel. Mål b og c Når du har arbeidet kunne gjøre be regninger med K a, K b og K w og kunne måle ph med ulike metoder og beregne ph i sterke og svake syrer og baser.. ph surhetsgrad med [H O ] som mål Du har helt sikkert hørt om ph, men hva er det egentlig? Egenskapene til en løsning er i høy grad avhengig av om løsningen er sur, basisk eller nøytral. Det er derfor viktig å ha et mål for surhet som sier oss noe om forholdet mellom [ HO ] og [ OH ] i en løsning. Som et mål for surhet har kjemikerne innført ph-begrepet. Som oftest er [ HO ] en liten størrelse som varierer mellom 1 1 mol/l og 1,0 10 mol/l. Så små tall er det tungvint å skrive og regne med. Det er derfor innført et mer hensiktsmessig mål for sur - heten i en løsning. Det ble innført av Søren Sørensen ( ), en

19 0 Syrer og baser kjemiker på det danske Carlsberg-bryggeriet som trengte en grei måte å uttrykke surheten i drikkevarer på. Målet han innførte, ble kalt ph. I tabellen nedenfor er dette målet illustrert. Her ser du at når vi bruker ph, er det konsentrasjonen av [ HO ] som er utgangspunktet. ph er knyttet til den negative eksponenten når grunntallet er 10. «p» i ph står for potensen, «H» står for H -ionet. ph [H O [OH Det er [H O ]-ionet som er utgangspunktet for ph-skalaen. [H O ] [OH ] = 10 1 Legg merke til at ph-verdien endres med én enhet når en sterk syre fortynnes 10 ganger. Det betyr at en løsning med ph =,0 er 100 ganger så sur som en løsning med ph = 5,0. Blodet sørger for å holde ph i fysiske anstrengelser, som ved triatlon, vil ph kunne synke noe på grunn av opphopning av melkesyre, men vil aldri Definisjon av ph ph=log{[h O ph ]}, eller omvendt: [ HO ] = 10 mol/l { } står for «måltallet til». konsentrasjonen. ph er en ubenevnt størrelse. Å finne ph når [H O ] er gitt Hva blir ph i en løsning der [ HO ] Løsning Vi bruker definisjonen av ph og setter inn verdien for konsentrasjonen av [H O ]. Vi får da ph= log{[h O ]} = log 0,1= 1,0 Å finne [H O ] når ph er gitt Hva blir [H O ] Løsning Når vi kjenner ph, regner vi oss tilbake til oksoniumkonsentrasjonen ved å bruke formelen [H O 10 ph mol/l 10, 9 ]= = mol/l = 1, 10 mol/l

20 . ph 1 Mange næringsmidler har ph-verdi på ca. 7 i naturlig tilstand. ph i nyslaktet oksekjøtt er for eksempel 7,0, mens den i fisk er 7,. De fleste bakterier trives best ved ph fra 6,5 til 7,5. Aktiviteten ved ph under,5 eller over 9,0 er heller liten for de fleste bakteriearter. Dette utnytter vi både når vi skal konservere mat og ved rengjøring. Vi bruker ph-skalaen bare for verdier mellom 0 og 1. For løsninger der [ HO ] eller [ OH ] er større enn 1 mol/l, oppgir vi konsentrasjonen til løsningen i mol/l. ph-skalaen går fra 0 til 1 < > ph i sterke syrer konsentrasjonen av syra gir oss [H O ] Når vi skal beregne ph i en sur løsning, må vi først vite om syra er sterk eller svak. Det finnes ikke så mange sterke syrer, og du husker kanskje de tre vanligste: saltsyre (HCl), svovelsyre ( HSO ) og salpetersyre ( HNO ). Som du har sett, vil de sterke syrene protolysere nærmest fullstendig. Da er det lett å beregne ph i løsningen, for vi kan regne med at konsentrasjonen av HO blir den samme som konsentrasjonen av syra dersom syra er enprotisk. Konsentrasjonen av HO -ionene og ph-verdien blir derfor enkle å beregne, som vist i eksemplet nedenfor. Å finne ph i vannløsninger av sterke syrer Hva blir ph i a b H SO Løsning a [ HO ] ph = log0,1= 1,0 b HSO er en sterk toprotisk syre med fullstendig protolyse. HSO HO HO SO H SO -løsning er [ HO ] = [ HSO ] = 0, 00 mol/l = 0, 00 mol/l ph= log0,0 = 1,

21 Syrer og baser ph i sterk syre Når vi skal finne ph i en løsning av en sterk syre i vann, finner vi først [ HO ] ut fra konsentrasjonen av syra, som er fullstendig protolysert. Deretter finner vi ph ved å sette [ HO ] inn i uttrykket ph =log {[H O ]}. ph i svake syrer K a bestemmer [H O ] i løsningen Når vi skal beregne surhetsgraden i vann som er tilsatt svake syrer, vet vi at det ikke vil skje en fullstendig protolyse. For å kunne regne ut [ HO ] og ph-verdien i løsningen må vi derfor vite hvor stor del av molekylene som protolyserer. Den vanligste måten å finne denne andelen på er å gå ut fra syrekonstanten K a, som vi kan finne i tabeller. Jo høyere verdi syrekonstanten har, desto sterkere er syra. Jo lavere verdi den har, desto svakere er syra. Eksemplet nedenfor viser hvordan vi går fram for å finne ph i en svak syre. Gjør oppgave:.1 og. Å finne ph i vannløsninger av svake syrer Syrekonstanten, K a, til eddiksyre er 1, Løsning Vi har reaksjonslikningen ph = log [H ] For coffee it s 5; for tomatos it s ; While household ammonia s 11 or more. It s seven in water, if in a pure state, But rainwater s 6, and seawater is 8. It s basic at 10, quite acidic at, And well above 7 when litmus turns blue. Some find it a puzzlement. Doubtless their fog Has something to do with that negative log. (Fra tidsskriftet Chemical Education, CH COOH(l) H O(l) H O (aq) CH COO (aq) Først må vi beregne [ HO ]: konsentrasjonen av oksoniumioner [ CH COO ]: konsentrasjonen av acetationer [ CH COOH] : konsentrasjonen av eddiksyremolekyler som ikke har reagert finner sted, vil 1,00 L løsning inneholde 1,00 mol eddiksyremolekyler. Hvis x mol CH COOH protolyserer, forteller reaksjonslikningen at det dannes x mol H O -ioner og x mol CH COO -ioner. Dermed blir det igjen (1,00 x CH COOH -molekyler. Ved likevekt har vi da disse konsentrasjonene: [ HO ] = x = x [ CH COO ] = x = x [CH COOH] = (1,00 x x