Luku 3. Protolyysireaktiot ja vesiliuoksen ph

Transkriptio

1 Luku 3 Protolyysireaktiot ja vesiliuoksen ph 1

2 MIKÄ ALKUAINE? Se ei ole metalli, kuten alkalimetallit, se ei ole jalokaasu, vaikka onkin kaasu. Kevein, väritön, mauton, hajuton, maailmankaikkeuden yleisin kaasu. Kyseessä on VETY. Vedyllä on ytimessään yksi protoni ja elektroniverhossa vastaavasti yksi elektroni. Jos vety luovuttaa ainoan elektroninsa, jää sille enää ytimen protoni (ja neutronit) H + = vety ilman elektronia, eli käytännössä yksi protoni, joksi sitä usein kutsutaan. 2

3 Ennakkokysymyksiä 3

4 4

5 Mikä protolyysi? vetyionin (H + ) eli protonin siirtyminen hapolta emäkselle happo luovuttaa ja emäs vastaanottaa vetyionin protolyysi tarkoittaa siis protoninsiirtoreaktioita 5

6 Protolyysireaktio hapolle esim. vetykloridin ja veden välinen reaktio: HCl (g) + H 2 O (l) Cl (aq) + H 3 O + (aq) vetykloridi luovuttaa vetyionin (H + ) vedelle vetykloridi on siis happo vesi on emäs oksonium ionit (H 3 O + ) antavat liuokselle sen happamat ominaisuudet (vesiliuoksen ph < 7) 6

7 Protolyysireaktio emäkselle esim. ammoniakin reaktio veden kanssa: NH 3 (g) + H 2 O (l) NH 4 + (aq) + OH (aq) vesi luovuttaa vetyionin (H + ) ammoniakille vesi on happo ammoniakki on emäs hydroksidi ionit (OH ) antavat liuokselle sen emäksiset ominaisuudet (vesiliuoksen ph > 7) 7

8 Hapon ja emäksen vahvuus heikko happo ja emäs protolysoituu vain osittain (esim. etikkahappo, ammoniakki) huom! reaktioyhtälöön merkintä NH 3 + H 2 O NH OH vahva happo ja emäs protolysoituu lähes täydellisesti (esim. HCl, H 2 SO 4, NaOH) huom! reaktioyhtälöön merkintä HCl + H 2 O Cl + H 3 O + 8

9 Heikot hapot 9

10 Heikot emäkset 10

11 Vesi on amfolyytti vesi voi olosuhteiden mukaan toimia sekä happona että emäksenä: HCl + H 2 O Cl + H 3 O + NH 3 + H 2 O NH OH veden reaktio itsensä kanssa (veden autoprotolyysi): «H 2 O + H 2 O H 3 O + + OH 11

12 Veden toimiminen amfolyyttinä 12

13 Vetykloridin vesiliuoksessa tapahtuu monia reaktioita 13

14 Polyproottisen hapot protolysoituminen 14

15 Happo emäsparit 15

16 16

17 17

18 18

19 19

20 Vahvan hapon protolyysireaktion mallintaminen 20

21 Graafinen esitys heikon ja vahvan hapon protolyysireaktiosta 21

22 HAPPOVAKIO heikoille hapoille Happovakio mille tahansa heikolle hapolle: HA (aq) + H 2 O (l) A (aq)+ H 3 O + (aq) Happovakioiden arvot riippuvat lämpötilasta. 22

23 Emäsvakio heikoille emäksille Emäsvakio mille tahansa heikolle emäkselle: B (aq)+ H 2 O(l) BH + (aq) + OH (aq) Emäsvakioiden arvot riippuvat lämpötilasta. 23

24 HAPPO JA EMÄSVAKIOIDEN TULKINTA suurempi K a protolyysireaktion tasapainotila enemmän lopputuotteiden puolella Mitä suurempi happovakion arvo, sitä vahvempi happo (vahvoilla hapoilla protolysoituminen lähes 100% joten ei tarvetta ilmoittaa K a arvoa) suurempi K b (emäsvakio) protolyysireaktion tasapainotila enemmän lopputuotteiden puolella Mitä suurempi emäsvakion arvo, sitä vahvempi emäs (vahvoilla emäksillä protolysoituminen lähes 100% joten ei tarvetta ilmoittaa K b arvoa) 24

25 Joidenkin happojen ja niitä vastaavien emästen suhteellisia vahvuuksia 25

26 Veden autoprotolyysireaktio ja veden ionitulo K w H 2 O (l)+ H 2 O (l) < > H 3 O + (aq) + OH (aq) Reaktion tasapainotila on voimakkaasti lähtöaineiden puolella ja mittausten perusteella [H 3 O + ]=[OH ]= 1, mol/l Veden ionitulo (kun t = 25 o C): K w = [H 3 O + ][OH ]= 1, mol 2 /l 2 Happo ja vastinemäksen vakiot (K a,k b ) sidoksissa veden ionitulon avulla: K w = K a (HA) K b (A ) 26

27 Vesiliuoksen ph ja poh arvo ph= lg[h 3 O + ] [H 3 O + ]= 10 ph poh= lg[oh ] [OH ]= 10 poh ph + poh = 14 27

28 Liuoksen ph arvo ja ionien konsentraatiot (25 o C) 28

29 Vahvan ja heikon hapon ominaisuuksien vertailua 29

30 Vahvan hapon vesiliuoksen ph:n laskeminen Vahvat hapot protolysoituvat vedessä lähes täydellisesti, joten hapon alkukonsentraatiosta saadaan oksonium ionien loppukonsetraatio ja laskea ph. Esim. Kun suolahapon vesiliuos on valmistettu suolahapon suhteen 0,15 mol/l konsentraatioon, mikä on liuoksen ph? HCl (g) + H 2 O (l) Cl (aq) + H 3 O + (aq) koska HCl on vahva happo niin [HCl] alku = 0,15 mol/l = [H 3 O + ] loppu ph = lg[h 3 O + ] = lg 0,15 = 0,83 30

31 Vahvan emäksen vesiliuoksen ph:n laskeminen Vahvan emäksen tuottaman hydroksidi ionien konsentraation [OH ] avulla voidaan laskea liuoksen ph arvo. Esim. Kalsiumhydroksista on valmistettu veteen 0,2 mol/l liuos. Mikä on liuoksen ph? Ca(OH) 2 (s) Ca 2+ (aq) + 2 OH (aq) [OH ] loppu = 2 [Ca(OH) 2 ] alku = 2 0,2mol/l = 0,4 mol/l poh = lg[oh ] = lg 0,4 = 0,3979 ph = 14 poh = 13,6 31

32 Heikon hapon ja heikon emäksen vesiliuoksen ph:n laskeminen Koska heikkoina protolysoituvat vain osittain/vähän, voidaan happo ja emäsvakioiden K a tai K b avulla laskea kuinka paljon ne tuottavat veteen liuetessaan oksonium H 3 O + tai hydroksidi OH ioneja katso kirjan esimerkki 5 s.59 32

33 33

34 Liuos, jossa on aina sekä happona että emäksenä toimivia hiukkasia Puskuriliuos säilyttää ph:nsa, vaikka liuosta väkevöidään, laimennetaan tai siihen lisätään pieniä määriä happoa tai emästä Puskuriliuosten puskurointikyky on rajallinen. Jos happo tai emäslisäys ylittää tietyn arvon, puskuriliuoksenkin ph muuttuu. 34

35 Puskuriliuoksen valmistus Puskuriliuoksen ph määrää mitä seuraavista valmistustavoista voidaan käyttää: 1. valmistus heikosta haposta ja sen vastinemästä sisältävästä suolasta, esim. etikkahappo + natriumasetaatti 2. valmistus heikosta emäksestä ja sen vastinhappoa sisältävästä suolasta, esim. ammoniakki + ammoniumkloridi 3. valmistus heikosta haposta ja vahvasta emäksestä (jo n.puolet heikon hapon määrästä), esim. metaanihappo + ja natriumhydroksidi 4. valmistus heikosta emäksestä ja vahvasta haposta (jo n. puolet heikon emäksen määrästä), esim. metyyliamiini ja typpihappo katso kirjan tehtävä 66 s.75 35

36 Esim. Liuos, jonka tilavuus on 75,0 ml, sisältää 15,5 mmol metaanihappoa HCOOH ja 8,5 mmol natriummetanaattia HCOONa. a) Selvitä reaktioyhtälöin, miten tämä puskuri liuos toimii. b) Laske tämän puskuriliuoksen ph. 36

37 Puskuriliuoksen toiminnan osoittaminen reaktioyhtälön avulla esim. etikkahappo asetaatti puskuri Happolisäys: Emäslisäys: 37

38 Etikkahappo asetaatti puskurin toimintaperiaate 38

39 Puskuriliuoksia ja niiden ph arvoja 39

40 Puskuriliuoksen ph:n laskeminen: Heikko happo ja sen suola ph = log [H 3 O + ] [happomuoto]=hapon (tasapaino)konsentraatio [emäsmuoto]=suolasta tulleen emäsionin (tasapaino)konsentraatio HUOM! Heikkoa happoa ja heikkoa emästä sisältävissä puskuriliuoksissa voidaan käyttä alkukonsentraatioita eli approksimoidaan, että: [happomuoto] tp ~ [happomuoto] alku ja [emäsmuoto] tp ~ [emäsmuoto] alku esim. puskuriliuos CH 3 COOH ja CH 3 COONa CH 3 COOH alku CH 3 COO alku 40

41 Harjoitustehtävä Valmistetaan asetaattipuskuri lisäämällä 0,10 mol CH 3 COOH ja 0,050 mol CH 3 COONa 0,5 litraan vettä. Mikä on puskuriliuoksen ph? Ratkaisu: K a (CH 3 COOH )=1, mol/l [CH 3 COOH] alku = 0,1 mol/ 0,5 l = 0,20 mol/l ja [CH 3 COONa ] alku = 0,05 mol / 0,5 l = 0,10mol/l = [CH 3 COO ] Etikkahapon protolyysireaktion perusteella saadaan: CH 3 COOH + H 2 O CH 3 COO + H 3 O + c a : 0,20 0,10 0 mol/l c m : x +x +x mol/l c tp. 0,20 x 0,10+ x x mol/l (0,10+x) x = 1, (0,20 x) Josta x =3, mol/l = [H 3 O + ] tai suoraan [H 3 O + ]= K a [CH 3 COOH] alku [CH 3 COO ] alku ph = lg [H 3 O + ] = lg (3, ) = 4,44 41

42 Esimerkki 1 Opiskelijat valmistivat kolme eri puskuriliuosta, joissa etikkahappo ja asetaatti ionikonsentraatiot tasapainotilassa* vaihtelivat seuraavasti: Puskuriliuos 1: c(ch 3 COOH) = 0,10 mol/l ja c(ch 3 COO ) = 0,10 mol/l Puskuriliuos 2: c(ch 3 COOH) = 0,15 mol/l ja c(ch 3 COO ) = 0,075 mol/l Puskuriliuos 3: c(ch 3 COOH) = 0,050 mol/l ja c(ch 3 COO ) = 0,10 mol/l Mikä oli puskuriliuosten ph? * Jos puskurisysteemi valmistettu heikosta haposta/emäksestä ja sen suolasta, voidaan yleensä tehdä approksimaatio: alkukonsentraatio = tasapainokonsentraatio 42

43 Puskuriliuoksen ph:n laskeminen: Heikko emäs ja sen suola poh = lg [OH ] ph = 14 poh [emäsmuoto] = emäksen tasapainokonsentraatio* [happomuoto] = suolasta tulleen happoionin tpkonsentraatio* *voidaan yleensä approksimoida, että muutokset konsentraatioissa alkutilanteen ja tasapainotilan välillä pieniä ja jätetään usein huomioimatta 43

44 Esimerkki 2 Kemian harjoitustyössä tarvittiin puskuriliuosta, joka tuli valmistaa liuottamalla 15,0 grammaa ammoniumkloridia 500 millilitraan ammoniakkiliuosta, jonka konsentraatio on 0,50 mol/dm 3. Laske, mikä oli puskuriliuoksen ph. (Oletetaan, että ammoniakkiliuoksen tilavuus ei merkittävästi muutu, kun ammoniumkloridi liukenee siihen.) 44

45 45

46 KIRJAN esimerkki 3 s.69 (puskuriliuoksen ph:n muuttuminen) a) Osoita reaktioyhtälöin, että NH3/NH4Cl liuos voi toimia puskuriliuoksena. b) Puskuriliuoksessa c (NH3) = 0,25 mol/l ja c(nh4+) = 0,25 mol/l ja sen ph on 9,26. Laske, kuinka monta ph yksikköä ja mihin suuntaan puskuriliuoksen ph arvo muuttuu, kun siihen lisätään 10 ml suolahappoa, jonka konsentraatrio on 2,0 mol/l? NH3(aq) + H3O+(aq) NH4+(aq) + H2O(l) NH4+(aq) + OH (aq) NH3(aq) + H2O(l) b) c (NH3) = 0,25 mol/l c (NH4+) = 0,25 mol/l ph = 9,26 V (puskuriliuos) = 1,0 l V (HCl) = 10 ml = 0,010 l c (HCl) = 2,0 mol/l 1) Lasketaan lisätyn suolahapon ainemäärä n(hcl) Happolisäyksen = c (HCl) seurauksena V(HCl) = 2,0 ammoniakin mol/l 0,010 ainemäärä l = 0,020 mo2) pienenee ainemäärä 0,020 kasvaa mol saman ja vastaavasti verran. Happolisäyksen ammoniumionien jälkeen ammoniakin liuoksen ja ammoniumionien kokonaistilavuus uudet on konsentraatiot 1,010 l, joten ovat: 3) Ratkaistaan [OH ] ammoniakin emäsvakion lausekkeesta seuraavasti: Liuoksen ph arvo on siten ph = 14,00 poh = 14,00 ( lg 1, ) = 9,1855 9,19 4) muutos ph = 9,26 9,19 = 0,070 Liuos muuttuu happamammaksi, koska ph arvo pienenee. 46

47 Indikaattorit Aineita, jotka muuttavat väriään liuoksen ph arvon mukaan Niiden toiminta perustuu protolyysireaktioon, happomuotoisena (InH) niillä on oma värinsä samoin kuin emäsmuotoisena (In ) Sopiva indikaattori valitaan tutkittavien liuosten reaktion ekvivalenttipisteen (neutraloituminen) mukaan 47

48 48

49 49

50 Joidenkin indikaattorien värinmuutosalueet 50