REAKTIOT JA TASAPAINO, KE5 Vahvat&heikot protolyytit (vesiliuoksissa) ja protolyysireaktiot

Transkriptio

1 REAKTIOT JA TASAPAINO, KE5 Vahvat&heikot protolyytit (vesiliuoksissa) ja protolyysireaktiot Kertausta: Alun perin hapot luokiteltiin aineiksi, jotka maistuvat happamilta. Toisaalta karvaalta maistuvat ja käteen liukkailta tuntuvat aineet luokiteltiin emäksiksi. BrØnsted-Lowry happo-emäs-teorian mukaan happo on aine, joka luovuttaa protonin H + ja emäs aine, joka ottaa vastaan protonin, kun tarkastellaan happojen/emästen vesiliuoksia. Määritelmä, protolyytti, amfolyytti: Happo voi luovuttaa protonin, jos reaktiossa on mukana emäs, joka ottaa sen vastaan. Nämä tapahtuvat aina yhtä aikaa ja siksi happo-emäs reaktioita sanotaan protoninsiirto- eli protolyysireaktioiksi. Protolyytti on aine, joka osallistuu tällaiseen reaktioon. Amfolyytti on aine, joka voi toimia reaktiossa joko happona tai emäksenä. Protolyysi tarkoittaa oikeastaan protoneilla hajoittamista! Vesi toimii happona (yllä) ja emäksenä (alla). Nuolten suunnat väärin! Nuolet aina elektroneista vetyyn. 1

2 Määritelmä, vahva ja heikko happo/emäs: Happoa, joka protolysoituu täysin (eli luovuttaa jokaisen protoninsa) vesiliuoksessa, sanotaan vahvaksi hapoksi. Vahvoja happoja ovat mm. H 2 SO 4, HCl ja HNO 3. Happoa, joka protolysoituu vain osittain, sanotaan heikoksi hapoksi. Näitä ovat mm. kaikki orgaaniset hapot eli esim. karboksyylihapot, aminohapot ja lisäksi fenolit sekä epäorgaanisena hiilihappo H 2 CO 3. Vastaavasti vahva- ja heikko emäs. Vahvoja emäksiä ovat mm. hydroksidi-ioni OH ja sulfidi-ioni S 2 sekä heikkoja mm. ammoniakki NH 3 ja amiinit. Huomautus Älä sekoita hapon/emäksen vahvuutta hapon/emäksen väkevyyteen! Myös heikko happo voi olla väkevää. Väkevyys viittaa pitoisuuteen! Määritelmä, moniarvoinen- eli polyproottinenhappo: Happoa, joka voi luovuttaa useamman kuin yhden protonin sanotaan polyproottiseksi hapoksi. Esimerkiksi kolmiarvoisen fosforihapon H 3 PO 4 protolysoitumista kuvataan kolmella eri reaktioyhtälöllä H 3 PO 4 aq H 2 PO 4 aq H 2 PO 4 aq HPO 4 2 aq HPO 4 2 aq PO 4 3 aq Määritelmä, vastin- eli konjugaattihappo/emäs ja happo-emäspari: Kun osa hapon, merkitään HA, molekyyleistä protolysoituu ja luovuttaa protonin vedelle (jotka siis toimivat emäksinä), jää jäljellä anioni A ja oksoniumioni H 3 O +. Tällöin anionia A sanotaan hapon HA vastin- eli konjugaattiemäkseksi. Vastaavasti oksoniumionia H 3 O + sanotaan veden konjugaattihapoksi. Syntyy ns. happo-emäspareja : CH 3 COOH aq CH 3 COO aq 2

3 Esimerkki: Tunnista seuraavista reaktioista happo-emäs parit: a) HNO 3 aq NO 3 aq b) HF aq F aq c) CH 3 NH 2 aq CH 3 NH 3 + aq + OH aq d) NH 3 aq + H 2 PO 4 aq NH 4 + aq + HPO 4 2 aq Ratkaisut: a) HNO 3 aq NO 3 aq b) HF aq F aq c) CH 3 NH 2 aq CH 3 NH 3 + aq + OH aq d) NH 3 aq + H 2 PO 4 aq NH 4 + aq + HPO 4 2 aq Mitkä asiat vaikuttavat siihen onko aine happo vai emäs Happo siis luovuttaa protonin, joten mitä poolisempi on sidos sitä herkemmin vety lähtee. Poolittomista sidoksista emäs ei saa vetyä irti. Sidoksen poolisuus ei kuitenkaan yksin selitä hapon vahvuutta, vertaa vesi ja vetykloridihappo. Hapon vahvuuteen vaikuttaa vastinemäksen koko. Emäs tarttuu hapon protoniin vapaalla elektroniparilla, joten mitä suurikokoisempi on emäs, sitä heikompi se on. 3

4 Määritelmä, happihapot: Happihapoiksi sanotaan aineita, joilla O H-ryhmä on sitoutunut epämetalliatomiin. Happihappo voi olla vahva (typpihappo, rikkihappo tai perkloorihappo) tai heikko (hiilihappo, fosforihappo). Vahvuuteen vaikuttaa keskusatomin (epämetallin) elektronegatiivisuus, mitä elektronegatiivisempi sen vahvempi, ja keskusatomiin sitoutuneiden happiatomien määrä, mitä enemmän sen vahvempi. δ ++ -merkintä tarkoittaa äärimmäistä elektroniköyhyyttä. Emäksissä on vapaa elektronipari Emäksessä on vapaa elektronipari, joka tarttuu protoniin. Mikäli vapaa elektronipari on pienessä atomissa, se on reaktiivinen ja emäksinen. Toisaalta, mitä pienempi on atomin elektronegatiivisuus, sitä emäksisempi elektronipari on. Eli ydin vetää löyhemmin elektroneja puoleensa. 4

5 Orgaaniset aineet happoina tai emäksinä Palautetaan mieleen, että hiilivetyrunko ei ole hapan eikä emäksinen. Syy, se on pooliton. Orgaanisille ryhmille saadaan: - Alkoholit ovat neutraaleja, - Fenoli on hapan (heikko happo), - Karboksyylihapot ovat heikkoja happoja, - Amiinit ovat heikkoja emäksiä. 5