Vesiliuoksen ph ja poh-arvot

Transkriptio

1 REAKTIOT JA TASAPAINO, KE5 Vesiiuoksen ph ja poh-arvot Taustaa: Happojen ja emästen aimeissa vesiiuoksissa oksonium- ja hydroksidi-ionien konsentraatiot ovat pieniä, ae 1,0 mo/. Esimerkiksi 0,1 moaarisen etikkahappoiuoksen H 3 O + 1, Näin pienten ukujen käsittey on hankaaa, joten tanskaainen Sørensen esitti vuonna 1909, että iuoksen happamuutta mitattaisiin konsentraatioiden sijasta ph-arvon kautta. Määritemä, ph-arvo ja poh-arvo : Sørensen määrittei iuoksen ph-arvon sen oksoniumionikonsentraation kymmenkantaisen ogaritmin vastaukuna. Siis ph = og 10 H 3 O + = g H 3 O +. Tää asteikoa ph-arvoksi saadaan ähes aina positiivisia ukuja väitä Määritemästä seuraa, että H 3 O + = 10 ph mo/. Vastaavasti iuoksen hydroksidi-ionikonsentraatiosta saadaan poh-arvo poh = og 10 OH = g OH OH = 10 poh mo/. Edeeen, koska vesiiuoksessa tuo H 3 O + OH on vakio (tietyssä ämpötiassa) niin ämpötiassa T = 25 saadaan (ei merkitä yksiköitä) Ei K w = H 3 O + OH = 1, gk w = g H 3 O + OH = g 1, gk w = g H 3 O + + g OH = 13,996 14,00 pk w = ph + poh = 14,00. Tämän yhtäön avua voidaan aina askea vesiiuoksen poh-arvo, kun ph-arvo tunnetaan tai päinvastoin. Huomaa, että pieniäkin H 3 O + /OH konsentraatioia on merkitystä ja vastaavasti ph/poh-arvojen pienetkin muutokset ovat merkitykseisiä. Tämän takia ph/poh-arvoissa vasta desimaaipikun jäkeiset numerot ovat merkitseviä. Jos siis iuoksessa H 3 O + = 1, mo/ (kaksi merkitsevää numeroa), niin tämän iuoksen ph = g 1, = 9,00 (pikun jäkeiset kaksi noaa ovat merkitseviä). 1

2 HAPAN ALUE NEUTRAALI ALUE EMÄKSINEN ALUE Orvokki-indikaattori ph-arvoia 1, 3, 5, 7, 9, 11 ja 13 2

3 Esimerkki: a) Laske iuoksen ph, kun oksoniumionikonsentraatio on 1) 0,10 mo/, 2) 2, mo/. b) Laske iuoksen poh, kun hydroksidi-ionikonsentraatio on 1) 0,25 mo/, 2) 3, mo/. Entäpä, jos a)-kohdassa kyseiset uvut ovatkin hydroksidi-ionikonsentraatioita ja b)-kohdassa oksoniumionikonsentraatioita? a)-kohta: 1) ph = g H 3 O + = g 0,10 = 1,00 = 1,00 ja vastaavasti 2) ph = g H 3 O + = g 2, = 2,6197 2,62. b)-kohta: 1) poh = g OH = g 0,25 = 0,602 0,60 ja vastaavasti 2) poh = g OH = g 3, = 7,4559 7,46. Jos ukuarvot ovatkin toisee ionie, niin a)-kohta: 1) ph = 14 poh = 14 + g OH = 14 + g 0,10 = 13,00 ja vastaavasti 2)pH = 14 poh = 14 + g 2, = 11, ,38. b)-kohta: 1) poh = 14 ph = 14 + g H 3 O + = 14 + g 0,25 13,40 ja vastaavasti 2)pOH = 14 ph = 14 + g 3, = 6,5440 6,54. Vahvan (monoproottisen) hapon ja emäksen vesiiuoksen ph:n askeminen Vahvat hapot protoysoituvat vedessä täydeisesti, joten veden autoprotoyysin tuottama H 3 O + -konsentraatio on häviävän pieni verrattuna hapon protoyysireaktiossa muodostuvaan H 3 O + -konsentraatio. Näin oen Monoproottisen vahvan hapon iuoksen oksoniumionikonsentraatiota pidetään samana kuin hapon konsentraatiota. Laskuissa on mainittava hapon/emäksen vahvuus! Esimerkki: Laske H 3 O +, C, OH ja iuoksen ph vetykoridihapoe, c HC = 0,015 mo/. HC on vahva happo. Protoyysireaktio on HC aq + H 2 O H 3 O + aq + C aq Yksi mooi HC:ää tuottaa yhden mooin oksoniumioneita H 3 O + ja koridiioneita C, joten c H 3 O + = c C = c HC = 0,015 mo/ 3

4 Ratkaisut (jatkuu): Liuoksen ph-arvoksi saadaan ph = g H 3 O + = g 0,015 1,8239 1,82. Liuoksen hydroksidi-ionikonsentraatio saadaan ionituon kautta (jos ei oe erikseen mainittu, niin T = 25, jooin K w = 1, mo/ 2 ). OH = K w H 3 O + = 1, mo/ 2 6, mo/. 0,015 mo/ Vahvat emäkset Vahvojen emästen, kuten akai- ja maa-akaimetaihydroksidien sekä oksidien, tapauksissa protoyysireaktiot menevät myös täydeisesti oppuun ja veden autoprotoyysin tuottamat hydroksidi-ionikonsentraatio on häviävän pieni verrattuna emäksen muodostamaan hydroksidi-ionikonsentraatioon. Laskuissa hydroksidi-ionikonsentraation avua määritetään ei asketaan ensin poh-arvo, josta edeeen määritetään ph-arvo ja tarvittaessa oksoniumionin (ja muiden ionien) konsentraatio. Esimerkki: Kasiumhydroksidi ei sammutettu kakki Ca OH 2 on havin käytössä oeva emäs. Kyäinen iuos saadaan, kun noin 0,16 g kasiumhydroksidia iuotetaan veteen 100 m/25. Laske, mikä on näin vamistetun iuoksen hydroksidi-ionikonsentraatio ja ph. Merkitään auksi tunnetut tiedot: m Ca OH 2 = 0,16 g M Ca OH 2 = 74,096 g mo V iuos = 0,100 Liuenneen kasiumhydroksidin ainemääräksi ja konsentraatioksi saadaan n Ca OH 2 = m Ca OH 2 = 0,16 g M Ca OH g = 0, mo 2 74,096 mo c Ca OH 2 = n Ca OH 2 0, mo = V iuos 0,100 = 0,02159 mo. Kasiumhydroksidin iukenemisyhtäön Ca OH 2 Ca OH mukaan hydroksidi-ionin konsentraatio on kaksinkertainen kasiumhydroksidin konsentraatioon, joten OH = 2 c Ca OH 2 = 2 0,02159 mo Liuoksen poh-arvoksi saadaan poh = g 0,043 = 1,364 1,36 ja ph-arvoksi ph = 14 poh = 12,635 12,64 0,043 mo 4

5 Heikot hapot tai emäkset Heikon hapon tai emäksen vesiiuoksessa vaitsee tasapainotia, joten askuissa noudatetaan tasapainoreaktion askuperiaatteita. Jotta iuoksen pharvo voidaan askea/määrittää, on tunnettava happo- tai emäsvakio. Kokeeisesti happo- tai emäsvakio voidaan määrittää, kun 1) ensin mitataan tutkittavan iuoksen ph, 2) sevitetään akukonsentraatio ja 3) käytetään tämän jäkeen hyväksi happo- tai emäsvakion auseketta. Esimerkki: Opiskeijat vamistivat väkevästä etikkahaposta aimentamaa 0,10 -moaarisen etikkahappoiuoksen. Mikä oi tämän iuoksen ph? Etikkahappo on heikko happo, on kyseinen iuos miten väkevää tahansa. Protoyysireaktion tasapainoreaktioyhtäö on CH 3 COOH aq happo 1 + H 2 O emäs 2 CH 3 COO aq emäs 1 + H 3 O + aq happo 2 Muodostetaan tauukko (tasapainoreaktion ratkaisuperiaatteen mukaisesti) ja merkitään iuokseen muodostunutta oksoniumionikonsentraatiota x:ä. + + CH 3 COOH aq H 2 O CH 3 COO aq H 3 O + aq c aku 0, muutos x +x +x c tasap. 0,10 x +x +x Laskuissa yksiköt voi jättää pois, mutta tuoksessa ne pitää oa! Sijoittamaa tiedot etikkahapon happovakion K a ausekkeeseen, saadaan K a = CH 3COO H 3 O + CH 3 COOH josta muodostuu toisen asteen yhtäö 1, = x 2 0,10 x x 2 + 1, x 1, = 0. Ratkaisuksi saadaan x 1 1, ja x 2 1, , joista x 2 hyätään negatiivisena. (Negatiivinen konsentraatio ei mieekäs.) Näin oen H 3 O + mo 3 1,33 10 ph = g 1, ,8752 2,88. 5

6 Esimerkki: a) Opiskeijat vamistivat metyyiamiiniiuoksen CH 3 NH 2 aq, jonka konsentraatio oi 0,0025 mo/. Mikä oi tämän iuoksen ph? b) Opiskeijat mittasivat vamistamansa iuoksen ph-arvon ja saivat tuokseksi 10,97. Mikä oisi tämän mittaustuoksen perusteea metyyiamiinin emäsvakion arvo? a) Metyyiamiini on heikko emäs ja sen protoyysireaktion tasapainoyhtäö on CH 3 NH 2 aq + H 2 O CH 3 NH + 3 aq + OH aq emäs 1 happo 2 happo 1 emäs 2 Muodostetaan tauukko (tasapainoreaktion ratkaisuperiaatteen mukaisesti) ja merkitään iuokseen muodostunutta hydroksidi-ionikonsentraatiota x:ä. + + CH 3 NH 2 aq H 2 O CH 3 NH 3 + aq OH aq c aku 0, muutos x +x +x c tasap. 0,0025 x +x +x Sijoitetaan tiedot metyyiamiini emäsvakion K b ausekkeeseen ja ratkaistaan OH = x, saadaan K b = CH 3NH + 3 OH 4, x 2 = CH 3 NH 2 0,0025 x josta muodostuu toisen asteen yhtäö x 2 + 4, x 1, = 0. Ratkaisuksi saadaan x 1 1, ja x 2 8, , joista x 1 hyätään negatiivisena. (Negatiivinen konsentraatio ei mieekäs.) Näin oen OH mo 4 8, poh = g 8, ,07779 ja iuoksen ph-arvo on 14 3,07779 = 10, ,92. b) Koska ph-arvoksi on mitattu 10,97, niin näin oen poh-arvoksi tuee 14 10,97 = 3,03. Liuoksen hydroksidi-ionikonsentraatio on täten OH mo 3,03 10 = 9, , Sijoitetaan tämä tieto tauukkoon. 6

7 + + CH 3 NH 2 aq H 2 O CH 3 NH 3 + aq OH aq c aku 0, muutos 9, , , c tasap. 0,0025 9, , , Sijoittamaa tauukon tiedot metyyiamiinin emäsvakion K b ausekkeeseen, saadaan 9, mo/ 2 mo mo 4 K b = 0,0025 9, = 5, ,6 10. mo/ 4 mo Tauukkoarvo on 4,2 10, joten mittaustuoksen perusteea metyyiamiini oisi hieman vahvempi emäs, koska saadun emäsvakion arvo on suu- rempi. Protoysoitumisaste Määritemä, protoysoitumisaste: Heikkojen protoyyttien protoysoitumisaste kuvaa sitä, kuinka suuri osa happo- tai emäsmoekyyeistä on protoysoitunut. Näin oen se imaisee protoysoituneen osan konsentraation suhteen protoyytin akuperäiseen konsentraatioon. Protoysoitumisaste imaistaan prosentteina. Esimerkki: 1,0-moaarisen vetyfuoridiiuoksen ph-arvoksi mitattiin 1,57. Kirjoita protoyysireaktio, aske fuoridi- ja oksoniumionien tasapainokonsentraatiot ja protoysoitumisaste. Vetyfuoridi on heikko happo, protoyysireaktio on Mitatun ph-arvon nojaa H 3 O + HF aq + H 2 O H 3 O + aq + F aq. = 10 1,57 mo/ = 0,02692 mo/ 0,027 mo/. Reaktioyhtäön mukaan fuoridi-ionin konsentraatio on sama kuin H 3 O + - ionien ei F 0,027 mo/. Näin oen protoysoitumisaste on F 100% = 0, % 2,692 % 2,7%. HF 0 1,0 7

8 8