Kapittel 9 Syrer og baser

Transkript

1 Kapittel 9 Syrer og baser 1. Syre og base (i) Definisjon (ii) Likevektsuttrykk og likevektskonstant (iii) Sterke syrer og sterke baser (iv) Svake syrer og svake baser 2. Vann som både syre og base (amfotært) (i) Autoprotolysen til vann 3. Syre-base par (korresponderende syre-base par) (i) Korresponderende syre-base par (ii) Sammenhengen mellom styrken til korresponderende syre og base (iii) Sammenhengen mellom syre og base konstanten til korresponderende syre og base 4. ph-skalaen (i) Definisjon 5. Noen ph beregninger (i) I sterke syrer og sterke baser (ii) I blanding av sterke syre og sterke base (iii) I svake syre og svake base 6. Buffer (fortsatt ph beregninger) (i) Definisjon (ii) Beregning av ph i en buffer (iii) Hvordan virker en buffer - Tilsetning av sterk syre (el. sterk base) (iv) Bufferligningen 7. Saltløsninger (sure og basiske salt)

2 Kapittel 9 Syrer og baser 6. Syre og base (v) Definisjon H + Syre: Et stoff som kan avgi H + (proton): CH 3 COOH + H 2 O CH 3 COO - + H 3 O + (eller en syre er et stoff som reagere med vann og gir overskudd av H 3 O + ) Base: Et stoff som kan ta opp H + (proton): NH 3 + H 2 O NH OH - (eller en base er et stoff som reagere med vann og gir overskudd av OH - ) H + (vi) Likevektsuttrykk og likevektskonstant Når vi snakker om likevektskonstanter for syrer og baser så er det alltid syren eller basen i reaksjon med vann Syre: CH 3 COOH (aq) + H 2 O (l) CH 3 COO - (aq)+ H 3 O + (aq) Syrekonstant: K a + CH3COO HO 3 = [ CH COOH ] Base: NH 3 (aq) + H 2 O(l) NH 4 + (aq) + OH - (aq) 3 Basekonstant: K b = + NH4 OH [ NH ] 3 (vii) Sterke syrer og sterke baser Sterk syre: Syrer som har lett for å gi fra seg proton (H + ). En antar at alle syre molekylene avgir (H + ) (reaksjonen går fullstendig) Eksempel: HCl HCl(aq) + H 2 O(l) Cl - (aq) + H 3 O + (aq) Vi har få sterke syrer. De vanligste er: HCl, HBr, HI, H 2 SO 4, HNO 3 og HClO 4 Dersom vi har en 1,00 M HCl så vil [H 3 O + ] = 1,00 M

3 Sterk base: Baser som har lett tar opp proton (H + ). En antar at alle base molekylene tar opp (H + ) (reaksjonen går fullstendig) Eksempel NaOH NaOH(aq) + H 2 O(l) Na + (aq) + OH - (aq) Vi har få sterke base. De vanligste er: NaOH, KOH, Mg(OH) 2 og Ca(OH) 2 Dersom vi har en 0,10 M NaOH så vil [OH - ] = 0,10 M OBS! I 0,10 M Mg(OH) 2 er [OH - ] = 0,20 M (viii) Svake syrer og svake baser Svake syrer: Syrer der bare noen få av syre molekylene reagerer med vann CH 3 COOH (aq) + H 2 O (l) CH 3 COO - (aq)+ H 3 O + (aq) Bare ca 1% av CH 3 COOH reagerer (i en 0,10 M CH 3 COOH) Svake baser: Baser der bare noen få av base molekylene reagerer med vann NH 3 (aq) + H 2 O (l) NH 4 + (aq) + OH - (aq) For å finne konsentrasjoner må vi gjøre likevektsberegninger K a /K b kan fortelle oss noen om styrken til syre/base Til mindre K a til svakere syre Til mindre K b til svakere base For å finne konsentrasjoner må en gjøre likevektsberegninger (kommer tilbake til dette senere) 7. Vann som både syre og base (amfotært) Vann kan reagere både som syre og base (vann er amfotært) (ii) Autoprotolysen til vann Vann kan reagere med seg selv i en syre-base reaksjon: H 2 O + H 2 O H 3 O + + OH - Likevektskonstant: K w = [H 3 O + ][ OH - ] = 1,0*10-14 (ved 25 o C) K w er ioneproduktet til vann.

4 Eksempel på et annet amfotæret stoff: HSO 4 - Som syre: HSO 4 - (aq) + H 2 O (l) SO 4 2- (aq)+ H 3 O + (aq) Som base: HSO 4 - (aq) + H 2 O (l) H 2 SO 4 (aq)+ OH - (aq) 8. Syre-base par (korresponderende syre-base par) (iv) Korresponderende syre-base par Når en syre avgir proton blir det dannet en base. Denne basen er den korresponderende basen og vi har et korresponderende syre base par. CH 3 COOH (aq) + H 2 O (l) CH 3 COO - (aq)+ H 3 O + (aq) syre base Korresponderende syre-base par:ch 3 COOH/CH 3 COO - En har det samme for base: Når en base avgir proton blir det dannet en syre. Denne syren er den korresponderende syren og vi har et korresponderende syre base par. NH 3 (aq) + H 2 O (l) NH + 4 (aq) + OH - (aq) base syre

5 Kapittel 9 Syrer og baser (v) Sammenhengen mellom styrken til korresponderende syre og base Er en syre veldig sterk er den korresponderende basen veldig svak HCl(aq) + H 2 O(l) Cl - (aq) + H 3 O + (aq) HCl er en sterk syre. Cl - er en ekstremt svak base. Den vil i praksis aldri oppføre seg som en syre (dvs. den vil aldri ta opp proton, H + ) Er en base veld ig sterk er den korresponderende syren veldig svak Er syren relativt svak er også den korresponderende basen relativt svak. F. Eks. NH 3 er en relativt svak base og den korresponderende syren NH 4 + er også en relativt svak syre. (vi) Sammenhengen mellom syre og base konstanten til korresponderende syre og base K a *K b = [H 3 O + ][ OH - ]= K w =1,0*10-14 (ved 25 o C) Utledning av formelen: Som et eksempel kan en se på syre-base paret NH 3 / NH NH NH 3 (aq) + H 2 O(l) NH + 4 (aq) + OH - 4 OH (aq) K b = NH ph=-log + { HO 3 } [ 3] + [ NH ] HO NH + 4 (aq) + H 2 O(l) NH 3 (aq) + H 3 O (aq) K= a + NH4 [ NH ] HO NH OH K K = =HO OH =K a b + [ 3 ] w NH4 [ NH3] 9. ph-skalaen (ii) Definisjon ph er et mål for H 3 O + konsentrasjonen ph skalaen går normalt fra 0 til 14. ph = 7 in en nøytral løsing ([H 3 O + ] =1, M)

6 ph >7 in en basisk løsing ([H 3 O + ] <1, M) ph <7 in en sur løsing ([H 3 O + ] >1, M) Noen andre definisjoner: poh=-log Sammenhengen mellom ph og poh: ph + poh = 14 pk =-log a - { OH } { K } a 10. Noen ph beregninger (iv) I sterke syrer og sterke baser Sterke syrer og baser reagerer fullstendig med vann dvs. 0,10 M HCl [H 3 O + ] = 0,10 ph = 1,0 0,10 M NaOH [OH - ] = 0,10 poh = 1,0 og ph = 13,0 PS! 0,10 M Mg(OH) 2 [OH - ] = 0,20 PS! ph beregning for H 2 SO 4. H 2 SO 4 er en toprotisk syre (den kan avgi to to proton H 2 SO 4 er en sterk syre: H 2 SO 4 (aq) + H 2 O(l) HSO - 4 (aq) + H 3 O + (aq) - HSO 4 er en svak syre: HSO - 4 (aq) + H 2 O(l) SO 2-4 (aq) + H 3 O + (aq) En trenger bare å ta hensyn til det første trinnet i når en skal beregne ph dvs i en 0,10 M H 2 SO 4 løsning er [H 3 O + ] = 0,10 M (v) I blanding av sterke syre og sterke base En løsning av en sterk syre kan vi se på som en løsning av H 3 O + En løsning av en sterk base kan vi se på som en løsning av OH - Når vi blander de vil følgende reaksjon skje (fullstendig) Reaksjon: H 3 O + + OH - H 2 O + H 2 O For å finne ph må en finne om det er syren eller basen som er i overskudd og konsentrasjonen av ionet (H 3 O + eller OH - ) som er i overskudd. Vi ignorer bidraget fra ioneproduktet til vann

7 Kapittel 9 Syrer og baser 7. Saltløsninger (sure og basiske salt) Ioniske forbindelser (salt) der ett eller flere av ionene er svak syre eller svak base. For å finne ut om et salt er surt eller basisk må en se på alle ionene å finne ut om de er svak syre eller svak base. To hjelperegler - Ion fra H1 og H2 (grupper i periodesystemet) er nøytrale - Ion fra H7 (unntatt F - ) er nøytrale Eksempel: MgSO 4 MgSO 4 (aq) Mg 2+ (aq) + SO 4 2- (aq) Mg 2+ er nøytralt (H2), SO 4 2- er en svak base. For å finne ph i løsningen må en se på likevekten mellom vann og den svake syren SO 4-2 (aq) + H 2 O(l) HSO 4-2 (aq) + OH - (aq) 5. Noen ph beregninger (vi) I svake syre og svake base Vi må gjøre likevektsberegninger for å finne [H 3 O + ] eller [OH - ] (og ph) Likevekten vil alltid være syren eller basen i reaksjon med VANN. Eksempel: Vi har en løsning av 0,10 M HCOOH (svak syre). Vi må først finne reaksjonsligningen. K a HCOOH + H 2 O HCOO - + H 3 O + + HCOO HO 3 4 = = 1,76 10 HCOOH [ ]

8 Finner ph ([H 3 O + ]) ved vanlig likevekts beregning. Vi setter opp et likevektsskjema: HCOOH + H 2 O HCOO - + H 3 O + Start 0,10 M 0 M 0 M 0 Endring -X M X M X M Likevekt 0,10-X M X M X M K a HCOO HO x x = = = 1,76 10 (0,10 x) [ HCOOH] Vi setter uttrykkene for likevektskonsentrasjonene inn i likevektsuttrykket og finner X (dvs. H 3 O + konsentrasjonen) og dermed ph (ph = -log{[ H 3 O + ]}) En kan bruke følgende tilnærmelse: Siden K a. 400<< 0,10 kan en anta at X<<0,10 og stryke x i uttrykket (0,10 X) 6. Buffer (fortsatt ph beregninger) (v) Definisjon Et løsning som ved tilsetning av moderate mengder av syre eller base ikke endrer ph vesentlig. En buffer må inneholde relativt store menger av både svak syre og svak base. Eksempel på buffer: blanding av en svak syre og det tilhørende saltet (ionisk forbindelse som inneholder den korrespoderende basen) HCOOH og NaHCOO HCOOH er en svak syre NaHCOO er et salt som spalter seg etter følgende reaksjonsligning: NaHCOO (aq) Na + (aq) + HCOO - (aq) Likevekten i systemet:

9 En har bare en likevekt som inneholder både den svake syren og den svake basen. En kan velge om en vil sette den opp som syren i reaksjon med vann eller basen i reaksjon med vann. Syren i reaksjon med vann HCOOH + H 2 O HCOO - + H 3 O + eller Basen i reaksjon med vann HCOO - + H 2 O HCOOH + OH - Kapittel 9 Syrer og baser (vi) Bufferligningen Vi har et buffersystem der en har følgende likevekt: HA + H 2 O A - + H 3 O + HA er en svak syre og A - en svak base. En kan da bruke bufferligningen til å beregne ph. A ph = pka + log [ HA] Konsentrasjonen av [A - ] og [HA] er konsentrasjonen før innstilling av likevekten. En trenger altså ikke gjøre likevektsberegninger. Denne ligningen kan bare brukes dersom en har en buffer! En må også ha en buffer som består av et korresponderende syre-base par. (vii) Beregning av ph i en buffer Eksempel: En blanding av 0,30 mol CH 3 COOH og 0,25 mol NaCH 3 COOH. Totalvolumet er 1,00 L. Hva blir ph? CH 3 COOH er en svak syre (K a = 1, ) og NaCH 3 COO er et salt som løser seg etter følgende reaksjonsligning: NaCH 3 COO Na + + CH 3 COO - CH 3 COO - er en svak base.

10 En har et system der en har relativt store mengder av både svak syre og svak base en har en buffer. For å beregne ph bruker en bufferligningen ph CH3COO 5 0,25 = pka + log = log(1,8 10 ) + log = 4,67 [ CH3COOH ] 0,30 En kunne ha brukt av likevektsberegning for bestemme ph (viii) Hvordan virker en buffer - Tilsetning av sterk syre (el. sterk base) Eksempel: En blanding av 0,30 mol CH 3 COOH og 0,25 mol NaCH 3 COOH. Totalvolumet er 1,00 L. Til denne bufferen tilsetter en 255 ml 1,00 M NaOH. Hva blir ph? En tilsett sterk base vil alltid reagere med svak syre i buffersystemet og reaksjonen er fullstendig. For å beregne ph ser en alltid på den fullstendige reaksjonen først og så bruker en bufferligningen etterpå. Fullstendig reaksjon: OH - + CH 3 COOH CH 3 COO - + H 2 O Start 0,022 mol 0,30 mol 0,25 mol Endring -0,022 mol -0,022 mol +0,022 mol Slutt 0 mol 0,278 mol 0,272mol Vi er interessert i konsentrasjonen i systemet etter denne reaksjonen. Det er disse reaksjonen vi skal sette inn i bufferligningen. CH3COO 5 0,272 ph = pka + log = log(1,8 10 ) + log = 4,73 [ CH3COOH ] 0,278 En ser at ph har bare endret seg fra 4,67 til 4,73. Hvorfor? Tilsett sterk base reagerte med den svake syren i buffersystemet (fullstendig) etter at denne reaksjonen er alt tilsett sterk base fjernet. En

11 har fått små endringer i konsentrasjonen av den svake syren og den svake basen, men dette endrer ikke ph vesentlig. Dette er et eksempel for tilsetning av sterk base. En har det samme systemet for tilsetning av sterk syre. En tilsett sterk base vil alltid reagere med svak syre i buffersystemet og reaksjonen er fullstendig. For å beregne ph ser en alltid på den fullstendige reaksjonen først og så bruker en bufferligningen etterpå. Tilsett sterk syre vil reagerer med den svake basen i buffersystemet (fullstendig) vi fjerner tilsett sterk syre H 3 O + + CH 3 COO - CH 3 COOH + H 2 O