Puskuriliuokset ja niiden toimintaperiaate

Transkriptio

1 Puskuriiuokset ja niiden toimintaperiaate REAKTIOT JA TASAPAINO, KE5 Määritemä, puskuriiuos: Liuoksia, joiden ph-arvo ei merkittävästi muutu, kun niihin isätään pieniä määriä happoa tai emästä tai vettä (aimennus), sanotaan puskuriiuoksiksi. Puskuriiuoksia on siis kyky vastustaa ph:n muutoksia tiettyyn rajaan asti! Puskuriiuos koostuu aina heikosta haposta ja sen vastinemäksestä tai heikosta emäksestä ja sen vastinhaposta. Liuoksessa on siis aina sekä happona että emäksenä toimivia hiukkasia. Käytännössä puskuriiuoksia vamistetaan seuraavasti: 1) Liuotetaan veteen heikkoa happoa ja sen vastinemästä sisätävää suoaa. Esimerkiksi etikkahappoa CH 3 COOH ja natriumasetaattia CH 3 COONa. Tai iuotetaan veteen heikkoa emästä ja sen vastinhappoa sisätävää suoaa. Esimerkiksi ammoniakkia NH 3 ja ammoniumkoridia NH 4 C. 2) Neutraoidaan heikon hapon vesiiuos vahvaa emäkseä esimerkiksi siten, että puoet happoekyyeistä neutraoituu. Täöin iuoksessa on yhtä suuret ainemäärät heikkoa happoa ja sen vastinemästä. Vastaavasti heikon emäksen vesiiuokseen isätään vahvaa happoa. Puskuriiuos pystyy vastustamaan parhaiten ph:n muutoksia, mikäi iuos sisätää yhtäsuuret konsentraatiot heikkoa happoa ja sen vastinemästä tai vastaavasti heikkoa emästä ja sen vastinhappoa. Täöin sanotaan, että iuoksea on hyvä puskurikapasiteetti. Puskuriiuosten toiminta voidaan ymmärtää neutraoitumisreaktion avua. Puskuriiuoksia käytetään mm. biokemiaisissa tutkimuksissa ja kouumaaimassa ph-mittarien kaibrointiin. Siksi on tärkeää tietää/osata askea, kuinka vamistetaan puskuriiuos, joa on tietty ph-arvo. Monet bioogiset prosessit ovat herkkiä ph:n muutoksie. Proteiinit saattavat denaturoitua/ koaguoitua iian happamissa tai emäksisissä oosuhteissa. Eriaiset soutoiminnot saattavat häiriintyä tai estyä kokonaan. Luonnon omia puskureita ovat mm. veri ja maito. 1

2 Esimerkki 3 Opiskeijat vamistivat kome eri puskuriiuosta, joissa etikkahappo- ja asetaatti-ionikonsentraatiot tasapainotiassa vaihteivat seuraavasti: Puskuriiuos 1: c CH 3 COOH = 0,10 / ja c CH 3 COO = 0,10 / Puskuriiuos 2: c CH 3 COOH = 0,15 / ja c CH 3 COO = 0,075 / Puskuriiuos 3: c CH 3 COOH = 0,050 / ja c CH 3 COO = 0,10 / Mikä oi puskuriiuosten ph? Ratkaisu Jokaisen puskuriiuoksen ph voidaan askea etikkahapon happovakion ausekkeesta K a = CH 3COO H 3 O +, josta saadaan ratkaistua oksoniumionikonsentraatio yhtäöä H 3 O + Puskuriiuos 1 CH 3 COOH = K a CH 3COOH CH 3 COO hyödyntäen. H 3 O + 0,10 = 1, ,10 = 1, TAI Hend.-Hasse. yhtäö, joka ja ph-arvoksi tuee on ns. ogaritminen muoto: ph = g 1, = 4,7447 4,74. ph = pk a + g A HA Puskuriiuos 2 H 3 O + ja ph-arvoksi tuee Puskuriiuos 3 H 3 O + ja ph-arvoksi tuee Siis: Puskuriiuos 1: ph = 4,74 Puskuriiuos 2: ph = 4,44 Puskuriiuos 3: ph = 5,05 = 1, ,15 0,075 = 3, ph = g 3, = 4,4437 4,44. 0,050 = 1, ,10 = 0, ph = g 0, = 5,0458 5,05. 2

3 Esimerkki 4 Kemian harjoitustyössä tarvittiin puskuriiuosta, joka tui vamistaa iuottamaa 15,0 grammaa ammoniumkoridia 500 miiitraan ammoniakkiiuosta, joe c NH 3 = 0,50. Laske, mikä oi puskuriiuoksen ph. (Voidaan oettaa, että ammoniakkiiuoksen tiavuus ei juurikaan muutu kun ammoniumkoridi iukenee siihen.) Ratkaisu Akutiedot: m NH 4 C = 15,0 g, M NH 4 C = 53,492 g c NH 3 = 0,50, V iuos = 500 m, K b, NH3 = 1,8 10 5, ph?, Ammoniumkoridin NH 4 C iuetessa yksi mooi tuottaa yhden mooin NH ioneja seuraavasti: NH 4 C s NH 4 + aq + C aq. Näin oen suoan iukenemisesta muodostuvien ammoniumionien konsentraatio puskuriiuoksessa on c NH 4 + = c NH 4 C = n NH 4C V iuos = m NH 4 C M NH 4 C 0,5 = 15,0 g g 53,492 0,5 = 0,560 Ammoniakin (emäs) protoyysireaktio on NH 3 aq + H 2 O NH 4 + aq + OH aq. Tauukoimaa konsentraatiot aussa ja tasapainossa sekä ottamaa huomioon, että nyt ammoniumionien akukonsentraatio poikkeaa noasta, saadaan NH 3 aq + H 2 O NH + 4 aq + OH aq c aku 0,50 0, muutos x +x +x c tasap. 0,50 x 0, x x Sijoitetaan nyt tasapainokonsentraatiot ammoniakin emäsvakion ausekkeeseen (MAOL:sta emäsvakion arvo) ja ratkaistaan tuntematon x. K b, NH3 = NH 4 + NH 3 OH 1, ,5608 x + x2 = 0,50 x x 2 + 0, , x 9, = 0 3

4 Toisen asteen yhtäön ratkaisuiksi saadaan x 1 0, , x 2 1, , joista hyväksytään vain positiivinen x 2. Näin oen iuoksen hydroksidi-ionien konsentraatioe saadaan OH = 1, Tästä voidaan määrittää iuoksen ph-arvo, kun oetetaan jäeen, että ämpötia T = 25 ph = 14,00 poh = 14 g 1, ,205 9,21. Miten puskuriiuokset vastustavat ph:n muutoksia Tarkasteaan tarkemmin etikkahappo-asetaattipuskuriiuosta. Sen ph-arvo määräytyy siis yhtäöstä K a = CH 3COO H 3 O + CH 3 COOH josta saadaan askettua oksoniumionikonsentraatio H 3 O + ja tästä edeeen iuoksen ph-arvo., = K a CH 3COOH CH 3 COO Kun etikkahappo ja natriumasetaatti iukenevat veteen, vesiiuoksessa etikkahappo protoysoituu ja suoa iukenee oheisten reaktioyhtäöiden mukaisesti CH 3 COOH aq + H 2 O CH 3 COO aq + H 3 O + aq, CH 3 COONa s CH 3 COO aq + Na + aq. Kun iuokseen isätään pieni määrä happoa, ei kun iuoksen oksoniumionikonsentraatio kasvaa, toimivat asetaatti-ionit emäksenä ja neutraoivat isätyn hapon reaktioyhtäön CH 3 COO aq + H 3 O + aq mukaisesti. CH 3 COOH aq + H 2 O 4

5 Reaktiossa siis muodostuu isää etikkahappoa ja asetaatti-ionien määrä hieman vähenee. Tämän seurauksena osamäärä ei suhde CH 3COOH CH 3 COO ausekkeessa K a CH 3COOH CH 3 COO hieman kasvaa (osoittaja kasvaa ja nimittäjä pienenee), josta seuraa myös, että H 3 O + kasvaa. Mutta ausekkeen avua askettu pharvo ei merkittävästi muutu! Vastaavasti, jos iuokseen isätään pieni määrä emästä, ei iuokseen muodostuu isää hydroksidi-ioneja, neutraoivat etikkahappo-ekyyit ne reaktioyhtäön CH 3 COOH aq + OH aq mukaisesti. CH 3 COO aq + H 2 O Muutos pienentää suhdetta CH 3COOH CH 3 COO ja näin oen H 3O + hieman pienenee, mutta ph-arvo pysyy ähes vakiona. Aa oeva kaaviokuva seventää puskuriiuoksen toimintaperiaatetta ja miksi ph-arvo pysyy ähes muuttumattomana pienten happo-/emäsisäysten jäkeen. 5

6 Esimerkki 5 a) Osoita reaktioyhtäöin, että NH 3 /NH 4 C-iuos voi toimia puskuriiuoksena. b) Puskuriiuoksessa c NH 3 = 0,25 ja c NH + 4 = 0,25 ja sen ph on 9,26. Laske, kuinka monta ph-yksikköä ja mihin suuntaan puskuriiuoksen pharvo muuttuu, kun itraan tätä iuosta isätään 10 m suoahappoa, jonka konsentraatio on 2,0. Ratkaisut a) NH 3 /NH 4 C-iuos toimii puskuriiuoksena seuraavasti: Kun iuokseen isätään happoa, ei kun oksoniumionikonsentraatio kasvaa, protoysoitumattomat ammoniakkiekyyit toimivat emäksenä ja neutraoivat isätyn hapon. Reaktioyhtäö on täöin NH 3 aq + H 3 O + aq NH 4 + aq + H 2 O. Vastaavasti, kun iuokseen isätään emästä, ei kun hydroksidi-ionien konsentraatio kasvaa, niin ammoniumionit neutraoivat isätyn emäksen. Reaktioyhtäö on täöin NH 4 + aq + OH aq NH 3 aq + H 2 O. Ratkaisut (jatkuu) b) Akutiedot: c NH 3 = 0,25, c NH + 4 = 0,25, ph = 9,26, V puskuriiuos = 1, V HC = 10 m, c HC = 2,0. Lisätyn hapon ainemääräksi saadaan, n = c V n HC = 2,0 0,01 = 0,020. Koska vetykoridihappo on vahva happo se protoysoituu täydeisesti. Näin oen iuokseen muodostuu 0,020 mooia oksoniumioneita. a)-kohdan reaktioyhtäöiden nojaa tehty happoisäys kuuttaa 0,020 mooia ammoniakkia ja vastaavasti ammoniumionien ainemäärä kasvaa 0,020 mooia. Uudet konsentraatiot ovat (uudea tiavuudea!) c NH 3 = c NH 4 + = 0,25 0,020 1,010 0,25 + 0,020 1,010 = 23 0, = 27 0,

7 Ratkaisut (jatkuu) Ratkaistaan OH ammoniakin emäsvakion ausekkeesta K b = NH 4 + OH NH 3 OH = K b, NH 3 NH 3 + OH = 1, ,2277 NH 4 0,2673 = Liuoksen ph-arvoksi tuee OH 5 1,53 10 ph = 14,00 poh = 14 g 1, ,1856 9,19. ph-arvon muutos on siten (itseisarvo antaa ukuarvon, suunta pääteään) ph = 9,26 9,1856 0, ,070 Ja iuos muuttuu happamammaksi, koska ph-arvo pienenee. Hendersson-Hassebach yhtäö: Hendersson-Hassebach yhtäön avua voidaan arvioida ph, jossa hapon ja sen vastinemäksen konsentraatiot ovat ikipitäen yhtäsuuret. Yhtäö on muotoa ph = pk a + g A HA. Kun ph < pk a, niin happomuodon konsentraatio HA on suurempi kuin emäsmuodon konsentraatio A. Kun ph = pk a, HA = A. Kun ph > pk a, niin emäsmuodon konsentraatio A on suurempi kuin happomuodon konsentraatio HA. 7

8 Puskuroitu ja puskuroimaton särkyääke puskuroimaton puskuroitu 8