Veden ionitulo ja autoprotolyysi TASAPAINO, KE5

Transkriptio

1 REAKTIOT JA Veden ionitulo ja autoprotolyysi TASAPAINO, KE5 Kun hapot ja emäkset protolysoituvat, vesiliuokseen muodostuu joko oksoniumioneja tai hydroksidi-ioneja. Määritelmä: Oksoniumionit H 3 O + aiheuttavat vesiliuoksen happamuuden, ph < 7 ja hydroksidi-ionit OH aiheuttavat vesil. emäksisyyden, ph > 7. phasteikko perustuu hapon tai emäksen vesiliuoksen H 3 O + -konsentraatioon. Tarkastellaan alla olevaa kuvaa: Tämä on veden autoprotolyysi, joka selittää puhtaan veden sähkönjohtokyvyn. Nuolet tulisi jälleen olla elektroneista kohti vetyjä! Tämän reaktion tasapainoasema on voimakkaasti lähtöaineiden puolella. Puhtaassa vedessä on tarkkojen mittausten perusteella saatu 5 :ssa H 3 O + = OH = 1, mol/dm 3. Näin ollen tasapainovakion K lausekkeen arvoksi saadaan (kun veden konsentraatio pysyy kutakuinkin samana sisällytetään vakioon K w ) K = H 3O + OH H O K w = K H O = H 3 O + OH. K w = 1, mol dm 3 Tämä on veden ionitulo. mol 14 = 1,0 10 dm 3, T = 5. 1

2 Veden ionitulon lauseke siis sitoo toisiinsa vesiliuoksen oksonium- ja hydroksidi-ionikonsentraatiot. Huomaa, että veden ionitulon lauseke on voimassa kaikissa vesiliuoksissa, ei vain puhtaassa vedessä ja jos toisen ionin konsentraatio tiedetään, niin voidaan toisen laskea. Yleisesti veden ionitulo kytkee hapon HA happovakion K a ja sen vastinemäksen A emäsvakion K b arvot seuraavasti: HA aq + H O l A aq + H 3 O + aq A aq + H O l HA aq + OH aq K a HA K b A = A H 3 O + HA OH HA A = K w Näin ollen, jos tiedetään happovakio K a, niin voidaan laskea sitä vastaavan emäksen emäsvakio K b. Lausekkeesta K a HA K b A = K w nähdään myös, että vahvaa happoa vastaa heikko emäs jne. Esimerkki: Rikkihapokkeen H SO 3 happovakion arvo on 1,3 10 mol/l. Laske sen vastinemäksen emäsvakion arvo. Ratkaisu Rikkihapoke on heikko happo, joka protolysoituu seuraavasti H SO 3 aq + H O l HSO 3 aq + H 3 O + aq, joten sen vastinemäs on vetysulfiitti-ioni HSO 3. Vetysulfiitti-ionin emäsvakion arvoksi saadaan K b HSO 3 = K 1, mol w l = K a H SO 3 1,3 10 mol/l 7, mol/l.

3 Oksoniumioni vedessä Vetykloridin vesiliuoksessa tapahtuu monia reaktioita 3

4 REAKTIOT JA TASAPAINO, KE5 Vesiliuoksen ph- ja poh-arvo Taustaa: Happojen ja emästen laimeissa vesiliuoksissa oksonium- ja hydroksidi-ionien konsentraatiot ovat pieniä, alle 1,0 mol/l. Esimerkiksi 0,1 molaarisen etikkahappoliuoksen H 3 O + 1, Näin pienten lukujen käsittely on hankalaa, joten tanskalainen Sørensen esitti vuonna 1909, että liuoksen happamuutta mitattaisiin konsentraatioiden sijasta ph-arvon kautta. Määritelmä, ph-arvo ja poh-arvo : Sørensen määritteli liuoksen ph-arvon sen oksoniumionikonsentraation kymmenkantaisen logaritmin vastalukuna. Siis ph = log 10 H 3 O + = lg H 3 O +. Tällä asteikolla ph-arvoksi saadaan lähes aina positiivisia lukuja väliltä Määritelmästä seuraa, että H 3 O + = 10 ph mol/l. Vastaavasti liuoksen hydroksidi-ionikonsentraatiosta saadaan poh-arvo poh = log 10 OH = lg OH OH = 10 poh mol/l. Edelleen, koska vesiliuoksessa tulo H 3 O + OH on vakio (tietyssä lämpötilassa) niin lämpötilassa T = 5 saadaan (ei merkitä yksiköitä) Eli K w = H 3 O + OH = 1, lgk w = lg H 3 O + OH = lg 1, lgk w = lg H 3 O + + lg OH = 13,996 14,00 pk w = ph + poh = 14,00. Tämän yhtälön avulla voidaan aina laskea vesiliuoksen poh-arvo, kun ph-arvo tunnetaan tai päinvastoin. Huomaa, että pienilläkin H 3 O + /OH konsentraatioilla on merkitystä ja vastaavasti ph/poh-arvojen pienetkin muutokset ovat merkityksellisiä. Tämän takia ph/poh-arvoissa vasta desimaalipilkun jälkeiset numerot ovat merkitseviä. Jos siis liuoksessa H 3 O + = 1, mol/l (kaksi merkitsevää numeroa), niin tämän liuoksen ph = lg 1, = 9,00 (pilkun jälkeiset kaksi nollaa ovat merkitseviä). 4

5 HAPAN ALUE NEUTRAALI ALUE EMÄKSINEN ALUE Orvokki-indikaattori ph-arvoilla 1, 3, 5, 7, 9, 11 ja 13 5

6 Esimerkki: a) Laske liuoksen ph, kun oksoniumionikonsentraatio on 1) 0,10 mol/l, ), mol/l. b) Laske liuoksen poh, kun hydroksidi-ionikonsentraatio on 1) 0,5 mol/l, ) 3, mol/l. Entäpä, jos a)-kohdassa kyseiset luvut ovatkin hydroksidi-ionikonsentraatioita ja b)-kohdassa oksoniumionikonsentraatioita? Ratkaisut: a)-kohta: 1) ph = lg H 3 O + = lg 0,10 = 1,00 = 1,00 ja vastaavasti ) ph = lg H 3 O + = lg, =,6197,6. b)-kohta: 1) poh = lg OH = lg 0,5 = 0,60 0,60 ja vastaavasti ) poh = lg OH = lg 3, = 7,4559 7,46. Jos lukuarvot ovatkin toiselle ionille, niin a)-kohta: 1) ph = 14 poh = 14 + lg OH = 14 + lg 0,10 = 13,00 ja vastaavasti )ph = 14 poh = 14 + lg, = 11,380 11,38. b)-kohta: 1) poh = 14 ph = 14 + lg H 3 O + = 14 + lg 0,5 13,40 ja vastaavasti )poh = 14 ph = 14 + lg 3, = 6,5440 6,54. 6

7 7