9 SYRER OG BASER 9.1 DEFINISJONER Historie. Begrepet syrer har eksistert siden tidlig i kjemiens historie. I denne gruppen plasserte man stoffer med bestemte egenskaper. En av disse egenskapene var sur smak. En annen var at det ble utviklet hydrogengass når de kom sammen med Figur 9.1 En syre er en protondonor. Protolyse = protonoverføring fra syre til base. visse metaller i vann. Man kalte stoffene syrer. En vannløsning av slike stoffer var en sur løsning. Man prøvde så å finne ut hva alle disse stoffene egentlig hadde felles, altså finne en hensiktsmessig definisjon.denne definisjonen har skiftet etter hvert som den kjemiske teori har utviklet seg (tabell 9.1). Tabell 9.1. Historiske syredefinisjoner Hvem Når, ca Definisjon av syre Lavoisier, Scheele 1750 Oksygenholdig stoff (Oxy = sur, gen = danne) Davy 1810 Hydrogenholdig stoff Arrhenius 1880 Danner H i vann Brønsted - Lowry 1923 Avgir H til andre stoffer Lewis 1930 Kan motta elektronpar En av de første definisjonene knyttet syrer til grunnstoffet oksygen. Navnet oksygen kommer fra dette, det betyr nemlig syre-danner. Det gamle navnet på oksygen er surstoff, og i Sverige heter oksygen fremdeles syre eller syrgas. Arrhenius var den første som innførte en kjemisk sett brukbar syredefinisjon: En syre er et stoff som danner H i vann. En base er da et stoff som gir OH i vann. I flg. denne teorien vil en syre dissosiere (spaltes) i vann og gi H og en syrerest. Legg merke til at H er det samme som et proton. H-atomet har bare ett proton i kjernen, og ett elektron, H er da bare protonet. Vi skriver da slik: Syre: HCl H (aq) Cl (aq) Her er Cl syreresten til HCl. Arrhenius' definisjon begrenser oss til vannløsninger. Dessuten indikerer den at H, som bare er et proton, har en selvstendig, stabil eksistens i vann, noe som ikke er riktig. Brønsteds definisjon løser begge disse to problemene: En syre er et stoff som kan avgi et proton ( H ). Se fig. 9.1. Med denne definisjonen er en base et stoff som kan 71 9. Syrer og baser
oppta et proton. Derved vil en syre alltid måtte reagere med en base. Med Brønsteds definisjon skriver vi slik: HF H2O F H3O HCl NH 3 Cl NH 4 Syre1 Base2 Base1 Syre2 Syre/base-par Når en syre (f.eks. HF) avgir et proton (H ), blir den selv en base (F ). Basen F kan oppta et proton og bli HF igjen. Dette paret (HF / F ) kalles et syre/base par. Vi sier et de er korresponderende syre/base, F er den korresponderende basen til HF. Noen bruker begrepet konjugert syre/base. (H3O /H2O) er et slikt syre/base- par, det samme er NH 4 /NH 3. NH 4 er den korresponderende syren til basen NH 3. Generelt vil en syre HA ha korresponderende base A, dvs. vi tar bort en H og reduserer ladningen med én. Syren HCO 3 har 2 korrespon-derende base CO. 3 3?9.1 Hva er korresponderende syre til basen a) ClO 2 b) PO 4? Hva er korresponderende base til syren c) H PO d) HCN? 2 4 Protolyse Med Brønsteds definisjon skriver vi reaksjonen som en overføring av et proton fra ett stoff (syren) til et annet stoff (basen). En slik reaksjon kalles en protolyse (i stedet for dissosiasjon). Syren og basen som inngår kan også kalles protolytter. En syre er en proton-donor, en base er en proton-akseptor. Arrhenius syre syrerest Dissosiasjon HA H A Protolyse HA H2O H3O A Brønsted syre korr. base Vi kommer til å bruke begge disse skrivemåtene, og vi husker da at det er to måter å skrive samme reaksjon på. Når reaksjonene skjer i vann er det korrekte er å skrive H (aq), H3O (aq), A (aq), osv, men av plasshensyn utelater vi som oftest (aq). Lewis sin definisjon er enda mer generell: En Lewis syre er et stoff som kan motta et elektronpar, en Lewis base kan avgi et elektronpar. Hvis vi ser på "Lewisstrukturen" til baser (kap 20), så har de gjerne ett eller flere udelte elektronpar. Vi skal ikke bruke denne definisjonen, men i organisk kjemi er den nyttig. En Lewis syre tilsvarer da ofte det som kalles en elektrofil (elektron-elsker), mens en Lewis base er en nukleofil. 72 9. Syrer og baser
9.2 VANNETS AUTOPROTOLYSE Hvis vi løser en syre (HCl) i vann, vil H2O oppføre seg som en base. Hvis vi løser en base (NH ) i vann, vil H O oppføre seg som en syre. 3 2 HCl H2O Cl H3O (syre) base NH 3 H2O NH 4 OH (base) syre Vannmolekylet kan altså reagere både som syre og base. Stoffer med slike egenskaper kalles amfolytter. I vann vil ett vannmolekyl (syre) kunne reagere med et annet vannmolekyl (base), og reaksjonen kalles vannets autoprotolyse (auto = selv). Reaksjonen går begge veier, vi har en likevekt. Denne likevekten vil alltid foreligge i et vann-miljø: H2O H2O H3O OH (eller): H O H OH 2 Dette er vist med en tegning i fig 9.3. Figur 9.2 Vannets autoprotolyse. H3O kalles hydronium-ion (eller oksonium-ion). Hvis vi skriver H, så kaller vi dette bare hydrogen-ion. OH ionet kalles hydroksid-ion. K w. Massevirkningsloven gjelder også for vannets autoprotolyse. K = [H3O ] [OH ] / [H2O] [H2O] [H2O] er konstant, og kan derved tas inn i K. Vi får da en ny verdi av K som kalles K w 14 K w = [H3O ] [OH ] = 1 10 14 K w = [H ] [OH ] = 1 10 eller K w kalles vannets ioneprodukt. På samme måte som likevektskonstanter, er denne temperaturavhengig, se tabell 9.2 (jfr.?8.9). Tabell 9.2 Vannets ioneprodukt ved ulike temperaturer t ( C) 0 25 50 100 14 K w ( 10 ) 0,114 1,01 5,47 49 73 9. Syrer og baser
I "ionefritt" vann har vi da, ved 25 C: 14 [H ] [OH ] = 1 10 7 [H ] = [OH ] = 1 10 mol/l Ved 0 C har vi derimot: 14 [H ] [OH ] = 0,114 10 8 [H ] = [OH ] = 3,4 10 mol/l I alle våre beregninger forutsetter vi at t = 25 C. Autoprotolyse ubetydelig? Vi tilsetter en syre til vann, slik at det f.eks. dannes 4 7 10 mol/l av H. Vannet inneholdt fra før 10 mol/l pga. vannets autoprotolyse. 4 Denne mengden er ubetydelig i forhold til 10, og vi kan tilnærmet se bort fra den ved beregninger. Husk at vannets autoptotolyse alltid danner like mange mol H som 7 OH fra H2O, dvs. maks. 10 mol/l av hver. Hvis konsentrasjonen av H er større 6 enn 10 mol/l, kan vi se bort fra bidraget fra autoprotolysen. Tilsvarende kan vi si om OH. Beregninger Hvis vi kjenner enten [H ] eller [OH ], så kan den andre regnes ut ved hjelp av K. E 9.1 [OH ] [H ] 5 Hva er [H ] hvis [OH ] = 2 10 mol/l? Løsning 14 [H ] [OH ] = 10 14 14 5 10 [H ] = 10 / [OH ] = 10 / 2 10 = 5 10 mol/l w 2?9.2 Hva er [OH ] hvis [H ] = 1,2 10 mol/l? 9.3 ph Surhet, ph. Surheten av en løsning kan knyttes til [H ] ([H3O ]). Vi kan godt angi surhetsgraden ved å oppgi [H ] i mol/l: 5 [H ] = 4,55 10 For å gjøre tallene enklere, oppgir vi heller logaritmen (briggske log 10 lg) av dette 5 tallet, lg (4,55 10 ) = 4,34. For å unngå negativ verdi bytter vi fortegn, og kaller tallet som vi får for ph. ph = 4,34 Vi definerer: ph = lg [H ] (= lg [H3O ]) Med en kalkulator er det da fort gjort å finne ph når [H ] er gitt (ta lg av tallet og bytte fortegn). Det er like raskt å finne [H ] når ph er gitt, vi må ta "inv. lg", dvs. 10 av (ph). 74 9. Syrer og baser x
9?9.3 Hva er ph når [H ] = a) 2,0 10 mol/l b) 0,025 mol/l c) 1,75 mol/l 15 d) 2,0 10 mol/l. Hva er [H ] når ph er e) 7,20 f) 2,90 g) 0,10? Sur, basisk, nøytral. En vannløsning kan være sur, basisk eller nøytral. Vi har: Sur løsning: 7 [H ]>[OH ] [H ]>10 7 [OH ]<10 ph< 7 Basisk løsning: 7 [H ]<[OH ] [H ]<10 7 [OH ]>10 ph>7 Nøytral løsning: 7 [H ]=[OH ] [H ]=10 7 [OH ]=10 ph=7 0 1 4 7 10 14 [H ] = 10 10 10 10 10 10 14 13 10 7 4 0 [OH ] = 10 10 10 10 10 10 ph = 0 1 4 7 10 14 - - sur - - - nøytral - - - basisk - 7 Vi kaller gjerne en løsning nøytral selv når [H ] er omkring 10 mol/l. Legg merke 0 til at 10 = 1. Det betyr at vi har ph = 0 hvis [H ] = 1 mol/l. "Dobbelt så surt" ph-skalaen angir surheten i en logaritmisk skala, ikke en lineær. Det betyr at når ph forandres med en enhet så forandres [H ] med en faktor på 10. En forandring av ph fra 9 til 8 er ikke så lite som det kanskje kan virke; det innebærer en tidobling av [H ]. Når [H ] blir dobbelt så stor, vil ph synke med 0,3 enheter. Dette kan vi illustrere ved å velge en vilkårlig ph-verdi som utgangspunkt: Start 5 [H ] = 2,0 10 ph = 4,70 2 [H ] 5 [H ] = 4,0 10 ph = 4,40 10 [H ] 5 [H ] = 40 10 ph = 3,40 poh. Vi definerer poh tilsvarende ph: poh = lg [OH ] Vi har denne sammenhengen mellom ph og poh: ph poh = 14 For å vise at dette er riktig må vi ta utgangspunkt i vannets ioneprodukt K w som er 14 10 (25 C). Vi må da bruke noen av regnereglene for logaritmer. Disse er vist i rammen nederst på denne siden. 14 (K w =) [H ] [OH ] = 10 14 lg [H ] [OH ] = lg 10 (lg på begge sider) 75 9. Syrer og baser
lg [H ] lg [OH ] = 14 (regel 1 og 5) lg [H ] (lg [OH ]) = 14 (bytter fortegn) ph poh = 14 (def. av ph og poh) Vi kan nå f.eks. beregne ph når [OH ] er kjent. Det lønner seg da først å regne om [OH ] til poh. Deretter brukes likningen ph poh = 14 til å finne ph. Ved omregning fra ph til [OH ] lønner det seg å gjøre om til poh først. 0-14? Det er fullt mulig å ha ph-verdier under 0 og over 14. I 6,0 molar HCl(aq) har vi [H ] = 6,0 mol/l ph = 0,8. I 6,0 mol/l NaOH(aq) har vi [OH ] = 6,0 mol/l poh = 0,8 ph = 14,8. E 9.2 [OH ] ph 2 Beregn ph når [OH ] = 1,20 10 mol/l Løsning 2 [OH ] = 1,20 10 poh = 1,92 ph = 14 poh = 141,92 = 12,08 10?9.4 a) Beregn ph når vi har [OH ] = 2,55 10 mol/l b) Beregn [H ] når poh = 4,56. Matematikk. Noen regneregler for logaritmer 1 lg (a b) = lg a lg b 2 lg (a/b) = lg a lg b 3 n lg a = n lg a 4 lg 1/a = lg a 5 x lg 10 = x (dette er definisjonen av lg) 6 lg 1 = 0 (følger egentlig av 5) 9.4 STERKE SYRER OG BASER 1 Sterke syrer En sterk syre protolyserer fullstendig i vann, og vi skriver ofte reaksjonspilen bare mot høyre, f.eks: HCl(aq) H (aq) Cl (aq) Vi har følgende viktige sterke syrer: HCl(aq) = Saltsyre HNO 3(aq) = Salpetersyre H SO (aq) = Svovelsyre 2 4 76 9. Syrer og baser
Dessuten har vi: HBr HI HClO 4 Vi skriver gjerne saltsyre som HCl(aq), men i virkeligheten har vi ingen HClmolekyler, vi har bare H og Cl -ioner, slik likningen over viser. 2 Sterke baser Hydroksider er generelt sterke baser: LiOH NaOH KOH Ca(OH) 2 Sr(OH) 2 Ba(OH) 2 I vann skriver vi: NaOH(s) Na (aq) OH (aq) Vi ser at de sterke basene alle sammen er hydroksid-er av alkali- eller jordalkalimetallene. Disse dissosierer fullstendig i vann, men noen av dem har en begrenset løselighet, slik at konsentrasjonen av OH ikke blir så stor, f.eks. Ca(OH) 2. En løsning av disse stoffene i vann kalles lut eller lut-løsninger, f.eks. kalilut, KOH(aq) og natronlut, NaOH(aq). Fast NaOH kalles også kaustisk soda. Oksider av disse metallene er også sterke baser, f.eks. Na2O og CaO. Disse oksidene 2 er ioneforbindelser, og danner oksid-ioner (O ) i vann, som reagerer som en sterk base: 2 Na O(s) 2Na (aq) O (aq) 2 O (aq) H O 2OH (aq) Na O(s) H O 2Na (aq) 2OH (aq) 2 2 2 2 3 ph i løsninger av sterke syrer/baser Siden sterke syrer er fullstendig protolysert i vann, vil [H ] være lik syrens konsentrasjon. Tilsvarende får vi for [OH ] og sterke baser. eller slått sammen E 9.3 ph i sterke syrer/baser Hva er ph i a) 0,25 mol/l HClO 4(aq) b) 0,015 mol/l Ba(OH) 2(aq)? Løsning a) HClO 4 H (aq) ClO 4 (aq) (0,25) 0,25 0,25 (mol/l) [H ] = 0,25 mol/l ph = 0,60 2 b) Ba(OH) 2 Ba (aq) 2 OH (aq) (0,015) 0,015 0,030 [OH ] = 0,030 mol/l poh = 1,52 ph = 12,48?9.5 Hva er ph i a) 4,0 mol/l NaOH(aq) b) 0,0096 mol/l HCl(aq) c) 2,4 10 3 mol/l Ca(OH)? 2 77 9. Syrer og baser
78 9. Syrer og baser