Transcript Acids and bases

Acids and bases
Eller syror och baser
Starka syror och baser
• I A-kursen studerades i huvudsak starka syror och
baser
• Starka syror är sådana som fullständigt
protolyseras, dvs. där alla syra-partiklar avger
protoner (eller vätejoner). Detta ger jämvikter
starkt förskjutna åt höger.
• I detta kapitel kommer vi titta, i huvudsak spå
svaga syror och baser.
• Vi kan nu använda jämviktsekvationen för att
gradera dess styrka. ( i det senaste kapitlet
behandlade vi uteslutande gasjämvikter, men
jämviktsekvationen kan även användas på vätskor)
Ättiksyra
• Eller etansyra, som är det systematiska
namnet har formeln CH3COOH. Då det blir
mycket att skriva använder man ofta en
kortformel för ättiksyra, HAc, där H+ är den
bekanta vätejonen och Ac- kallas acetatjon.
• Ättiksyra är, likt de flesta organiska syror,
en svag syra.
• Protolysreaktionen kan skrivas
HAc + H2O  H3O+ + Ac-.
Jämviktsekvationen
• Blir
• I utspädda syralösningar har [H2O] i princip
samma värde som rent vatten. (Hur
beräknar man koncentrationen vatten i
vatten?)
• Vi kan anta att vatten får detta värde i alla
utspädda lösningar och vi kan förenkla
jämviktsuttrycket…
Syrans protolyskonstant, Ka
• …som blir
• a kommer från engelskans acid. Ka kallas syrans
protolyskonstant eller kortare, syrakonstanten.
• Ju mindre mätetal Ka har, ju svagare syra.
• I tabellen på s. 56 anges, förutom Ka, för några
syror och pKa. pKa definieras analogt med pH.
• pKa = - log Ka och Ka = 10-pKa mol/dm3
Amfolyten vatten
• Vatten är en amfolyt. Dvs. den kan fungera
både som syra och bas.
• Detta gör att i en vattenlösning ställer
jämvikten in sig
• H2O + H2O ⇔ H3O+ + OH-
Vattnets jonprodukt
• Jämviktskvoten blir
• Men eftersom [H2O] är konstant (vi visade
det förra gången) kan vi skriva
• Där Kw är en ny konstant, vattnets
protolyskonstant, eller vattnets jonprodukt.
• Vid 25 °C är Kw = 1,0 x 10-14 (mol dm-3)
• Kw ökar med stigande temperatur.
Reaktionen H2O + H2O ⇔ H3O+ + OH- är
alltså endoterm.
• Vid en given temperatur kommer alltså
produkten
• Ha ett konstant värde. Om [H3O+] halveras
kommer [OH-] dubblas
x
Log
• På samma sätt som vi bildat pH och pKa,
kan vi skapa pKw.
• pKw = -log Kw och Kw = 10-pKw
• Vi kan också skapa pOH,
• pOH = -log [OH-] och [OH-] = 10-pOH
• Med jhälp av dessa uttryck kan vi skriva
vattnets jonprodukt Kw = [H3O+] x [OH-]
som 10-Kw = 10-pH x 10-pOH , vilket kan
förenklas till 10-Kw = 10-pH + pOH
• Det ger pKw = pH + pOH
• Eftersom Kw = 1,0 x 10-14 (mol dm-3), Vid
25 °C
• Borde pKw vara –log 1,0 x 10-14
• Alltså 14.
• Så vid 25 °C kommer pH + pOH = 14
x
Baskonstanten Kb
• Kan vi bilda för svaga baser, så samma sätt
som vi bildade syrakonstanten.
• Ammoniak protolyseras i vatten enl:
• NH3 + H2O ⇔ NH4+ + OH• Jämvikten blir
• Men eftersom koncentrationen vatten i
vatten är konstant, kan vi lyfta ut [H2O] och
baka in den i K, så skapar vi Kb.
• Istället för Kb kan man ange pKb.
• pKb = -log Kb
Syra-bas-par
• I tabellen på sidan 56 är syror listade i den vänstra
spalten och i den högra listats baser. Ser ni något
samband mellan en syra och en bas på samma rad?
• Om syran längst ner i tabellen(som har ett lågt Ka
– värde och därmer är en mycket svag syra)
protolyseras. Vad bilas?
• Jo, basen på samma rad i den högra kolumnen.
Den korresponderande basen till en svag syra är
relativt stark. (ett hägt värde på Kb)
• För svaga syror och baser är
protolysreaktionen reversibel.
• För ammoniak gäller:
NH3 + H2O ⇔ NH4+ + OH-, där Kb blir
• När jämvikt råder finns produkten NH4+,
som ju är en syra, i lösning. Då gäller
samtidigt att
• Om vi multiplicerar uttrycken för Ka(NH4+)
och Kb(NH3) får vi
• Efter förenkling får vi [H3O+] x [OH-]
• Det uttrycket känner vi igen va?
• Ja det är ju Kw.
• Alltså: Ka x Kb = Kw
• Eller pKa + pKb = pKw
Joners protolys
• Vad får en vattenlösning av natriumklorid
för pH?
• Vad får en vattenlösning av natriumacetat
(NaAc) för pH?
• Ja, den övre reaktionen ger en neutral
lösning, men den undre kommer får en
basisk reaktion.
• Varför?
• Jo, kloridjonen är den korresponderade
basen till HCl. Då HCl är en mycket stark
syra måste Cl- vara en mycket svag bas,
annars skulle den ju inte låta protolyseras
fullständigt.
• Acetatjonen är korresponderande bas till
den relativt svaga syran HAc. Ac- måste
alltså har starkare baskaraktär än Cl- . Ac- är
så stark bas att den kan ta protoner från
vattenmolekylen
• Det finns fler exempel på alkalisalter av
svaga syror som får basisk reaktion.
• Na2CO3 (natriumkarbonat) är ett exempel.
• Karbonatjonen finns ju i kolsyra (H2CO3)
som är en svag syra. Då bör karbonatjonen
ha goda basegenskaper.
Joner kan även vara syror
• Ammoniumklorid (salmiak) har svagt sur
reaktion. Ammoniumjonen, NH4+, är en
svag syra
Hydratiserade metalljoner
• En vattenlösning av aluminiumklorid, AlCl3 har
sur reaktion.
• I vattenlösning binder varje aluminiumjon 6 st
vattenmolekyler.
• Al(H2O)63+ protolyseras enl. följande:
• Al(H2O)63+ + H2O ⇔ Al(OH)(H2O)52+ + H3O+
• Fler två- och trevärda metalljoner som
hydratiserats fungerar som syror.
• Envärda hydratiserade metalljoner är däremot så
svaga svaga att man kan bortse från deras
protolys.
Joner som amfolyter
• Det finns syror som protolyseras i flera steg,
ex H2CO3.
• Efter det första protolyssteget får vi HCO3- .
Vätekarbonatjonen kan antigen vidare avge
nästa proton eller ta tillbaka den förra. Den
kan alltså fungera både som bas och syra
och är likt vatten, en amfolyt.
Neutralisation
• Får en lite vidare betydelse nu än förut…
• Neutraliserar man ekvivalenta mängder av en stark
syra med en stark bas kommer vi får en neutral
lösning.
• Men använder vi däremot en svag syra och en
stark bas får vi vatten och ett salt där den svaga
syrans korresponderande bas ingår. I vattenlösning
är salterna oftast lättlösliga. Därmed har vi den
svaga syrans korresponderande bas i
vattenlösningen. En svag syras korresponderande
bas är oftast en tillräckligt stark bas för att kunna
ta H+ från vattenmolekylen och reaktionen blir,
trotts neutralisationen av ekvivalenta mängder
syra – bas, ändå basisk.
Syra - bastitrering
• När ni i A-kursen titrerade använde ni en
stark bas som titrator, för att bestämma
halten stark syra i ett prov.
• När man tillsatt ekvivalent mängd bas
kommer syra neutraliserats och pH~7. Detta
mätte ni med en indikator som har
färgomslag i närheten av pH 7. Jag tror ni
använde BTB som har färtgomslag mellan
pH 6 – pH 7,6.
Titrerkurva
• Ni tillsatte titrator tills ni fick färgomsalg
och utgick sedan från mängden tillsatt bas
för at beräkna substansmängden syra.
• Man kan under hela försöket, med jämna
mellanrum mäta pH vid en viss mängd
tillsatt titrator. Då kan man avsätta pH mot
mängd tillsatt titatorlösning i ett diagram.
Då får man en sk. titrerkurva. Se s. 68
Titrering av en svag syra
• Om man ska titrera en svag syra med en
starkare bas, måste man fundera över vilka
joner man får i lösningen efter
neutralisationen, när ekvivalenta mängder
syra – bas är tillsatta. Vi har ju sett innan
ann neutralisation av en svag syra inte alltid
ger en lösning med pH7. (ättiksyra tex)
• Vad berodde det på?
• Om vi titrerar 50 cm3, 0,1 mol/dm3 ättiksyra med
50 cm3, 0,1 mol/dm3 NaOH, kommer vi få en
natriumacetatlösning med en koncentration på
0,05 mol/dm3 (volymen är ju nu dubbelt så stor).
• I exempel 4.6 på s 63 har en 0,05mol/dm3
ättiksyralösning ett pH~8,7.
• Vi ekvivalenspunkten kommer vi alltså ha pH~8,7.
Då måste vi se till att välja en indikator som har
färgomslag i närheten. Den enda av de vanligt
förekommande är Fenolftalein, som har
färgomslag mellan 8,3 och 9.8
Halvtitrerpunkten
• När hälften av syran har neutraliserats är
[HAc] = [Ac-]. När jämvikt råder mellan
HAc och Ac- kan vi avläsa Ka (HAc) som är
1,8 x 10-5 som ger pKa = 4,7 som ju blir =
pH (för vid jämvikten [HAc] = [Ac-] finns
också lika många [H3O+])
• Här är kurvan som flackast. Det innebär att
pH inte ändras märkbart vid tillsats av mer
bas. Här ligger ett sk. buffertområde.
Buffertlösningar
• Buffertlösningar är lösningar som kan ta emot
syror och baser utan att det blir stora pH –
ändringar. Det beror på att buffertlösningar
innehåller både en savg syra och en svag bas i
relativt höga koncentrationer. Syran och basen
utgörs ofta av ett syra – baspar, ex HAc – Ac-.
Den svaga syran tar hand om tillsatt bas och den
svaga basen tar hand om tillsatt syra.
• Syrabasparet HAc – Ac- har störst buffertverkan
när [HAc] = [Ac-]