1. No category

Förväntade studieresultat
Redogöra för pH-begreppet samt syrors och basers
grundläggande egenskaper
Redogöra för enklare kemiska jämvikter och buffertsystem
Utföra enklare beräkningar på jämviktssystem i
vattenlösning samt i gasfas, inklusive protolys-jämvikter,
buffertsystem och löslighetsjämvikter
Syror och Baser
Ed’s. S. Wikman, Andersson, H. & Edman, K. Rev. Ht-13
Syror och baser
Kapitel 15, Chang 11th ed., s. 668-710
Syrors och basers egenskaper
Syra-styrka
pH-skalan
pH-beräkning i lösningar av starka resp. svaga syror
Baser
pH-beräkningar svaga baser
Polyprotiska syror
Salters & oxiders syra-bas-egenskaper
Sambandet syra-basegenskaper – struktur
Lewissyror och –baser
Syrors och basers egenskaper
Syror
Smakar surt (jfr ättika, citronsyra, askorbinsyra)
Reagerar med vissa metaller under bildande av H2(g)
Reagerar med vissa karbonater & vätekarbonater under
bildande av CO2(g)
Vattenlösningar av syror leder elektrisk ström
Baser
Smakar bittert
Känns tvåliga på huden
Vattenlösningar av baser leder elektrisk ström
Syror och baser
Syra-baspar
Svante Arrhenius, 1884
Exempel
Ex.
Syra: avger H+
Bas: avger OH-
HCl → H+ + Cl–
NaOH → Na++ OH–
Brønsted-Lowry, 1923
Syra: H+-donator
Bas: H+-acceptor
NH3 + H2O ⇄ NH4+ + OH—
- NH3 och NH4+ utgör ett syra-baspar
Ex.
NH3 + H+
NH4+
- Vem är syran? – den som avger protoner: H2O
- Vem är basen? – den som tar upp protoner: NH3
- NH4+ är den konjugerade syran till basen NH3
Lewis, 1932
Lewissyra: elektronparsacceptor
Lewisbas: elektronparsdonator
Stark eller svagt syra resp. bas
Syra & korresponderande bas
Alla syror har en korresponderande bas (Syrabaspar) och omvänt:
Konjugerad
bas1
Syra1
- Jämviktens läge avgör
hydroniumjon
HA(aq) + H2O(l) ⇄ A¯(aq) + H3O+(aq)
Bas2
Konjugerad
syra2
HA och A¯ utgör ett syra-baspar
A¯ är den konjugerade basen till syran HA
H2O och H3O+ utgör ett syra-baspar
H3O+ är den konjugerade syran till basen H2O
•
De två baserna (H2O & A-) konkurrerar om H+
Reaktionen går åt det håll som ger den svagaste syran och
basen; den starkaste basen får H+
Stark syra
Svag syra
Svaga syror
Syrakonstanten, Ka
Om HA är en svag syra är jämvikten
HA(aq) + H2O(l) ⇄ A¯(aq) + H3O+(aq)
[H2O] konstant i
utspädd vattenlösning
[A - ][H 3O + ]
[A - ][H 3O + ]
K=
⇒ K[H 2O] =
[HA][H 2 O]
[HA]
Ka
starkt förskjuten mot vänster
HA(aq) + H2O(l)
Värdet på Ka litet
Syran delvis dissocierad
Ex. Ka = 10-4, endast 1/10.000 är dissocierad
Ka = K [H2O]
Dess korresponderande bas är en stark bas
Ka kan även ses som jämviktskonstanten för reaktionen
HA ⇄ A- + H+
Ex. svaga syror: HOAc, H2CO3, HF, NH4+.
Syra-bas egenskaper hos vatten
Starka syror
Vatten verkar både som syra och bas
Om HA är en stark syra är jämvikten
Som syra med en bas, ex. NH3 + H2O ⇄ NH4 + OH¯
Som bas med en syra, ex. HCl + H2O ⇄ Cl¯ + H3O+
starkt förskjuten mot höger
HA(aq) + H2O(l)
A (aq) + H3O (aq)
A (aq) + H3O (aq)
Vatten har sk. autojonisering: Autoprotolys
konjugerad
bas
syra
Värdet på Ka stort & generellt osäkert (Ka> 56)
H2O + H2O
Syran fullständigt dissocierad
bas
En stark syras korresponderande bas är svag
Exempel: H2SO4, HCl, HNO3, HClO4
H
O
H
+ H
O
H
H3O+ + OHkonjugerad
syra
[H
O
H
]+
H
+ H
O
-
Vatten är en amfolyt
pH, pOH, pKw
En amfolyt kan fungera både som syra och bas
H
[H+] = 1·10-5M ⇔ pH = 5
H2O + H2O
syra1
bas2
OH
+ H3O
bas1
syra2
Jämviktskonstanten Kc, för vattens autoprotolys:
KC =
pH = −log[H3O+ ] = −log[H+ ]
[OH - ][H 3 O + ]
⇒ K C [H 2 O] 2 = [OH - ][H 3O + ]
[H 2 O][H 2 O]
Kw
Kw kan även ses som jämviktskonstanten för reaktionen
H2O ⇄ OH- + H+
Kw - vattnets protolyskonstant
I rent vatten vid 25oC: [H+] = [OH–] = 1,0·10-7M
Därmed: Kw = 1,0·10-7 · 1,0·10-7= 1,0·10-14
Neutral lösning:
[H+] = [OH–] = 1,0·10-7M,
Sur lösning:
[H+] > [OH–]
Basisk lösning:
[H+] < [OH–]
Kw är temperaturberoende
Kw förskjuts i vätske-vätskeblandningar, ex.-vis
alkohol-vatten
pOH = −log[OH− ]
[OH-] = 1·10-3M ⇔ pOH = 3
pK w = pH + pOH = 14
pOH = 3 ⇔ pH = 11
Beräkning av pH för starka syror
Beräkning av pH för svaga syror
1. Avgör vilka joner & molekyler som finns i
1. Avgör vilka joner & molekyler som finns i
lösningen
2. Om det finns flera sura ämnen: kontrollera att
den syra du tror är stark faktiskt är den
starkaste syran.
3. Skriv upp reaktionsformeln för protolysen av den
starka syran och kontrollera molförhållandet
mellan syra och H+
lösningen
2. Skriv upp reaktionsformeln för syraprotolysen
3. Ställ upp jämviktsekvationen
4. Beräkna [H+] på samma sätt som för andra
jämvikter
(svaga syror har pH 2-7)
4. Beräkna [H+] och pH
Beräkning av pH för starka syror
Beräkning av pH för svaga syror
Exempel:
Vilket pH har en 1,0 M vattenlösning av HCl?
Komponenter i lösning: Cl–, H+, H2O
Lösning:
OBS! Bortse från vattnets autoprotolys eftersom
majoriteten av H+ härrör från sönderdelning av HCl
Reaktionsformel:
HCl(aq)
HCl är en stark syra: 1 M HCl
[H+] = 1,0 M ⇔ pH = 0
Beräkna pH på en 1,00 M ättiksyralösning (HOAc).
Ka för HOAc = 1,8·10-5.
Cl–(aq)
+ H+(aq)
1 M H+
1. Viktigaste ämnen i lösning: HOAc, H2O, OAc–, H+
2. Bortse från vattnets autoprotolys då Kw < Ka (HOAc)
3. Reaktionsformel: HOAc (aq) ⇄ H+(aq) + OAc– (aq)
4. Jämviktsuttryck:
Ka =
[H+ ][OAc - ]
= 1,8 ⋅ 10 −5
[HOAc]
Beräkning av pH för svaga syror
Beräkning av pH för blandningar av svaga syror
5. Skriv start-koncentrationer, förändringen i
koncentrationerna för att jämvikt skall uppnås samt
jämviktskoncentrationerna i en tabell:
[HOAc]
Start:
6.
[H+]
[OAc-]
1,00
0
0
-x
+x
+x
x
x
Förändring:
Jämvikt:
⇄
1,00-x
Infoga jämviktskoncentrationerna i jämviktsuttrycket:
Ka =
[H+ ][OAc - ]
= 1,8 ⋅10 −5
[HOAc]
Eftersom Ka är så litet bör x vara litet. Inför
approximationen
1,00-x ≈ 1,00 i jämviktsuttrycket, vilket ger:
2
x
= 1,8⋅10−5 ⇒ x = 1,8⋅10−5 = 4,2⋅10−3
(1,00)
8.
Kontrollera approximation: (1,00-x) = 0,996, vilket skall
jämföras med approximationen (1,00-x) = 1,00.
Skillnaden är <1%, approximationen godtagbar
9.
Vid jämvikt är
[H+]
=
4,2·10-3M
lösningen
2. Avgör vilken syra som är starkast (jämför Ka-
värden)
3. Skriv upp reaktionsformeln för protolysen av den
starkaste syran
4. Sätt upp jämviktsekvationen
5. Beräkna [H+] på samma sätt som för andra
x2
= 1,8 ⋅10 −5
(1,00 - x)
Beräkning av pH för svaga syror
7.
1. Avgör vilka joner & molekyler som finns i
⇒ pH = 2,37
Se kursboken, avsitt 15.15
Pröva ”Example 15.8” själv
jämvikter
Beräkning av pH för blandningar av svaga syror
Beräkna pH på en vattenlösning som innehåller 1,0 M HCN och
5,0 M HNO2 (salpetersyrlighet).
Ka(HCN) = 6,2·10-10 , Ka(HNO2) = 4,0·10-4
Lösning:
1.
Viktigaste ämnen i lösning: HCN, HNO2, H2O
2.
Vilken syra är starkast?
Ka(HNO2) > Ka(HCN) > Kw ⇒ räkna på HNO2!
3.
Reaktionsformel: HNO2
4.
Jämviktsuttryck:
⇄ H+(aq) + NO2–(aq)
-
Ka =
[H + ][NO2 ]
= 4,0 ⋅ 10−4
[HNO2 ]
Beräkning av pH för blandningar av svaga syror
Dissociationsgrad
Forts.
För syran HA:
5. Beräkna [H+] på samma sätt som för andra jämvikter:
Skriv start-koncentrationer, förändringen i koncentrationerna för att
jämvikt skall uppnås samt jämviktskoncentrationerna i en tabell:
[HNO2] ⇄
[H+] +
[NO2-]
Start
5.00
0
0
Förändring
-x
+x
+x
Jämvikt
5,0-x
x
x
HA ⇄ H+ + A-
Dissociationsgrad =
Konc. dissocierat (mol/l)
⋅100%
Ursprungskoncentration (mol/l)
För svaga syror ökar dissociationsgraden med
ökad utspädning av syran
Ex. 0,1 M HOAc (ättiksyra) är mer dissocierad än 1,0 M
HOAc
Infoga jämviktskoncentrationerna i jämviktsuttrycket:
x2
= 4,0 ⋅ 10−4
(5,0 - x)
Beräkning av pH för blandningar av svaga syror
Forts.
Beräkna dissociationsgraden hos 0,1 M HOAc.
Eftersom Ka är så litet, bör x vara litet. Inför
approximationen:
5,00 - x ≈ 5,00
Ka (HOAc) = 1,8·10-5
⇒
Lösning:
2
x
= 4,0⋅10−4 ⇒ x = 2,0⋅10−3 = 4,5⋅10−2
(5,00)
Detta värde på x innebär att (5,00 - x) = 4,96, vilket skall
jämföras med approximationen där (5,00 - x) =5,00.
Skillnaden är 0,9 %, approximationen godtagbar.
Vid jämvikt:
Beräkning av dissociationsgrad
[H+]
=
4,5·10-2
M ⇒ pH = 1,35
pH = – log ([H+])
Viktigaste species i lösning: HOAc, H2O
Ka (HOAc) > Kw ⇒ Räkna på HOAc!
Reaktionsformel: HOAc ⇄ H+(aq) + OAc–(aq)
Jämviktsuttryck:
Ka =
[H+ ][OAc - ]
= 1,8 ⋅ 10 −5
[HOAc]
Beräkning av Ka från dissociationsgrad
Beräkning av dissociationsgrad
Skriv: 1) Start-koncentrationer; 2) Förändringen i
koncentrationerna för att jämvikt skall uppnås samt 3)
Jämviktskoncentrationerna i en tabell:
Mjölksyra CH3CH2(OH) COOH, är en monoprotisk
syra. Dissociationsgraden i 0,100 M mjölksyralösning
är 3,7 %. Beräkna Ka för mjölksyra. (Mjölksyrans
anjon: acetat, OAc–).
[HOAc] ⇄ [H+] + [OAc–]
Start
Förändring
Jämvikt
0.1
0
0
-x
+x
+x
0,1-x
x
x
Infoga jämviktskoncentrationerna i
jämviktsuttrycket:
2
x
= 1,8 ⋅ 10 − 5
(0,1- x)
Beräkning av dissociationsgrad
Då Ka är litet bör även x vara litet. Inför approximationen
⇒
2
x
= 1,8 ⋅10−5 ⇒ x = 1,8 ⋅10−6 = 1,3 ⋅10−3
(0,1)
Kontrollera approximationen: (0,1-x) ≈ 0,099, vilket skall
jämföras med approximationen där (0,1-x) = 0,1. Skillnaden
(0,1 – 0,099) är 1%, approximationen godtagbar.
X = 1,3 ·
10-3
M ⇒ [OAc–]
= 1,3 ·
10-3
1.
Viktigaste komponenter i lösning: Mjölksyra, H2O
2. Mjölksyra är en svag syra, men (anta) den är starkare
än vatten!
3. Reaktionsformel: Mjölksyra (aq)
4. Jämviktsuttryck:
Ka =
[H ][Ac - ]
[Laktat]
M vid jämvikt
5. Skriv startkoncentrationer, förändringen i
koncentrationerna för att jämvikt skall uppnås
samt jämviktskoncentrationerna i en tabell:
[mjölksyra]
Start
⇄
0,100
[OAc—]
+
0
0
Jämvikt
0,0963 M
3,7 mM
3,7 mM
6. Infoga jämviktskoncentrationerna i jämviktsuttrycket:
(3,7 ⋅ 10 )⋅ (3,7 ⋅10 ) = 1,4 ⋅ 10
−3
Konc. dissocierat (mol/l)
⋅ 100%
Ursprungsk oncentrati on (mol/l)
[H+]
Förändring -(3,7%· 0,100) +(3,7%·0,100) +(3,7%·0,100) M
Dissociationsgrad = (1,3·10-3 M / 0,10 M) · 100% = 1,3%
Dissociati onsgrad =
⇄ H+(aq) + OAc—(aq)
+
Beräkning av Ka från dissociationsgrad
Forts.
0,1-x ≈ 0,1
Lösning:
Ka =
0,0963
−3
−3
Basstyrka
Baskonstanten, Kb
En stark bas dissocierar fullständigt i vatten:
B(aq) + H2O(l)
NaOH
BH (aq) + HO (aq)
OH (aq) + Na (aq)
[H2O] konstant i
utspädd vattenlösning
Arrhenius-bas
Brønsteds-bas
Dess korresponderande syra är en svag syra
K=
Exempel:
[BH+ ][OH− ]
[BH+ ][OH− ]
⇒ K[H2O] =
[B][H2O]
[B]
Kb
LiOH, NaOH, KOH, RbOH, CsOH (Alkalimetallernas
hydroxidsalt)
Ca(OH)2, Ba(OH)2, Sr(OH)2, (Mg(OH)2 – svårlöst i vatten)
Basstyrka, svaga baser
Beräkning av pH för svaga baser
En svag bas genererar OH- genom reaktion med vatten
Beräkna pH på en 5,00 M lösning av metylamin CH3NH2.
Reaktionen är starkt förskjuten mot reaktantsidan
Kb för CH3NH2: 4,38·10-4
NH3(aq) + H2O(l)
NH4 (aq) + OH (aq)
H
1.
Viktigaste species i lösning: CH3NH2, H2O
2.
Man kan bortse från vattnets autoprotolys eftersom
Kw < Kb(CH3NH2)
3.
Reaktionsformel:
Dess korresponderande syra är en stark syra
Exempel på svaga baser:
(Jmf. example 15.10, kap. 15.)
Lösning:
CH3NH2(aq) + H2O(l)
NH3 och aminer: RNH2, R2NH, R3N
⇄ CH3NH3+(aq) + OH—(aq)
Svaga baser har pH 7—12
4.
Jämviktsuttryck:
+
Kb =
[CH3 NH 3 ][OH- ]
= 4,38 ⋅10− 4
[CH3 NH 2 ]
Beräkning av pH för svaga baser
Aromatiska monoaminer – CNS-signalsubstanser
Forts.
5. Ställ upp tabell. a) Initiala koncentrationer; b) Förändringen
i koncentrationerna för att jämvikt skall uppnås samt c)
Jämviktskoncentrationerna.
a) Initialt
5,00
0
0
-x
+x
+x
x
x
b) Förändring
c) Jämvikt
⇄ [CH3NH3+] + [OH—]
5,00-x
H2C
CH2 HO
NH2
CH2
CH2
H2C
CH
H2C
OH
Försummas
6. Infoga jämviktskoncentrationerna i jämviktsuttrycket:
CH2
CH
CH3
HN
HN
NH2
H3C
HC
[CH3NH2]
CH3
CH3
HN
Efedrin
Dopamin
OH H3CO
OH
OH
Adrenalin
OCH3
OCH3
OH
OH
OH
Noradrenalin
Meskalin
2
x
= 4,38 ⋅ 10 − 4
(5,00 - x)
Beräkning av pH för svaga baser
Forts.
7. Eftersom Kb är så litet bör x vara litet. Inför
approximationen
5,00-x ≈ 5,00
Sambandet Ka och Kb för en syra och dess
konjugerade bas
Ättiksyra: HOAc (aq) ⇄ H+(aq) + OAc
+
⇒
Ka =
x2
= 4,38 ⋅ 10 −4 ⇒ x = 2,19 ⋅ 10 −3 = 4,7 ⋅ 10 −2
(5,00)
8. Är approximationen godtagbar?
Kb =
approximationen godtagbar!
9. Vid jämvikt är [OH—] = 4,7·10-2 M ⇒ pOH = 1,33
OBS Example 15.10
(aq)
-
[H ][OAc ]
= 1,8 ⋅10−5
[HOAc]
Acetat: OAc– (aq) + H2O (aq) ⇄ HOAc (aq) + OH–(aq)
Test: (5,00-x) = 4,95, vilket skall jämföras med
approximationen där (5,00-x) =5,00. Skillnaden är ≈1%,
pH = pKw – pOH; pH = 14,00–1,33 = 12,7
–
Kb ⋅ Ka =
[OH − ][HOAc]
= 5,6 ⋅10 −10
[OAc− ] ⋅ [H 2O]
[OH − ][HOAc] [H + ][OAc − ]
⋅
= 5,6 ⋅10 −10 ⋅1,8 ⋅10 −5 = 1,0 ⋅10 −14
[OAc − ] ⋅ [H 2O ] [HOAc]
Sambandet Ka och Kb för en syra och dess
konjugerade bas
Syra-bas-egenskaper hos salter
Salter som ger neutrala lösningar:
För en syra och dess konjugerade bas
Ka ∙ Kb = KW
NaCl, KCl, NaNO3, KNO3
Anjoner som är korresponderande baser till starka
syror: Cl—, NO3—
Katjoner som saknar syra-basegenskaper: Na+, K+,
(ffa. Alkalimetaller och andra envärda metalljoner,
katjoner till starka baser)
(pKa + pKb = 14)
Salter som ger basiska lösningar:
NaOAc, NaF, NaCN mfl.
(katjon från stark bas och anjoner från svaga syror)
Polyprotiska (flervärda) syror
Syra-bas-egenskaper hos salter
Svavelväte (H2S), vätekarbonat (H2CO3), oxalsyra C2O2(OH)2,
fosforsyra (H3PO4), svavelsyra (H2SO4) har flera Ka:
H3PO4
⇄ H+(aq) + H2PO4—(aq); Ka1
(7,25 ·10-3)
H2PO4—
⇄ H+(aq) + HPO42—(aq); Ka2
(6,31 ·10-8)
HPO4
⇄
(3,98 ·10-13)
2—
H+(aq)
+ PO4
3—(aq);
Ka3
För typiska polyprotiska syror är Ka1 > Ka2 > Ka3
Oftast behöver man endast ta hänsyn till Ka1 vid beräkning av
pH
För H2SO4(aq) med konc < 1,0 M måste man ta hänsyn till Ka2 för
H2SO4
Salter som ger sura lösningar:
NH4Cl m. fl.
Anjoner som är korresponderande baser till starka
syror: Cl—, NO3— (i sig ingen pH-effekt)
Katjoner som är korresponderande baser till svaga syror:
NH4+
Salter som innehåller metalljoner med hög laddning, ex.
Al3+, Fe3+ (den laddade metalljonen polariserar O-Hbindningarna):
Al(H2O)63+ ⇄ H+(aq) + Al(OH)(H2O)52+(aq)
Oxiders syra-bas-egenskaper
Kovalenta oxider = sura oxider:
SO3 + H2O ⇄ H2SO4(aq)
CO2 + H2O ⇄ H2CO3(aq)
2NO2 + H2O ⇄ HNO3(aq) + HNO2(aq)
Joniska oxider = basiska oxider:
CaO + H2O ⇄ Ca(OH)2(aq)
K2O + H2O ⇄ 2KOH(aq)
Syra-bas-egenskaper hos salter
OBS! För beräkning av pH i lösningar av hydratiserade
metallsalter: tillämpa samma strategi som för svaga syror
(slå upp Ka – sedan är det samma sak). Gör exempel 15.13!
Se Table 15.7
Sambandet mellan struktur & syrabas-egenskaper
Alla molekyler som innehåller H kan fungera som
syra
Organiska kolväten (med C-H-bindningar) är vanligtvis
inte sura
Huruvida en förening med Y-H-bindning är sur
beror på styrkan & polariteten i Y-H-bindningen
Bindningsstyrka & syrastyrka
Oxy-syror: elektronegativitet och syrastyrka
Y-O-H ⇄ Y-O— + H+
Syrastyrka
Syrastyrka
I-O-H
<
Br-O-H
<
Cl-O-H
Elektronegativitet hos Y
Bindningsstyrka (kJ/mol)
Lägre bindningsstyrka ⇒ högre syrastyrka
Polaritet & syrastyrka
Hög elektronegativitet hos Y ⇒ stabilare anjon ⇒
högre syrastyrka
Lewisdefinitionen av syror & baser
Lewissyra : elektronpars-acceptor
Lewisbas : elektronpars-donor
Syrastyrka
H
Cl
O
+
H
Lewissyra
Lewisbas
Cl
H
Cl
Polaritet
H
H
Al
Cl
Lewissyra
+
N
H O
H +
Cl
Cl H
H
H
Lewisbas
Cl
Al
N
Cl H
H
Övningsuppgifter, kap 15
(Chang, 11th ed. sid 711)
1, 2, ,3, 4, 5, 6, 8, 11, 13, 16, 17, 18,
20, 21, 25, 26, 31, 32, 36, 38, 42,
43, 44, 45, 48, 53, 55, 56, 62, 64,
78, 82, 85
Börja med understrukna uppgifter