Seokset ja liuokset. 1. Seostyypit 2. Aineen liukoisuus 3. Pitoisuuden yksiköt ja mittaaminen

Transkriptio

1 Seokset ja liuokset 1. Seostyypit 2. Aineen liukoisuus 3. Pitoisuuden yksiköt ja mittaaminen Hapot, emäkset ja ph 1. Hapot, emäkset ja ph-asteikko 2. ph -laskut 3. Neutralointi 4. Puskuriliuokset Seostyypit 1. Liuos Pääaineeseen eli liuottimeen on sekoittunut muita aineita erittäin hienojakoisesti, eli alle 1 nm hiukkasina (atomeina, ioneina, molekyyleinä). Liuoksessa ei tapahdu aineiden erottumista. 2. Kolloidisessa liuoksessa pääaineeseen on sekoittunut nm kokoisia hiukkasia. Esim. Saippuoiden vesiliuoksissa on kymmeniä - satoja atomeja liittynyt rykelmiksi (miselleiksi). Hiukkaset voidaan saada näkymään voimakkaan sivusta lankeavan valon avulla silmin tai mikroskoopilla. 3. Karkeajakoisessa seoksessa hiukkaset ovat yli 500 nm. Nämä seokset erottuvat ajan myötä sedimentoitumisen kautta tiheyserojen vaikutuksesta. 1

2 Kolloidisten ja karkeajakoisten liuosten jaottelu väliaine sekoittunut aine nimitys neste kiinteä suspensio neste neste emulsio neste kaasu vaahto kaasu kiinteä savu kaasu neste sumu Pitoisuuden yksiköt 1. Konsentraatio c ilmoittaa pitoisuuden mooleina litrassa c = n / V 2. Tilavuusprosentit * käytetään esim. alkoholijuomissa 3. Massaprosentit * esim. 5 % NaCl -liuos 2

3 Liuoksen pitoisuuden mittaamisesta Nesteliuoksissa pitoisuus tilavuusprosentteina riippuu lineaarisesti tiheydestä => Pitoisuuden mittaaminen tapahtuu tiheysmittarilla (areometrillä) esim. pakkasneste, akun varaus, juoman alkoholipitoisuus Tilavuusprosentin määritys tiheysmittauksella Esim. Akkuveden tiheydeksi määritettiin 1.40 g/cm 3. Määritä sen rikkihappopitoisuus, kun veden tiheys on 1.0 g/cm 3 ja puhtaan rikkihapon 1.83 g/cm 3. tiheys väkevyys Kuvan perusteella pitoisuus =n. 46 % 3

4 Tehtäviä: (graafinen ratkaisu) 1. Puhtaan etanolin tiheys = 0,79 g/cm 3 Puhtaan veden tiheys = 1,0 g/cm 3 Määritä alkoholijuoman väkevyys, kun sen tiheys on 0,91 g/cm Puhtaan glykolin (pakkasneste) tiheys = 1.12 g/cm 3 Puhtaan veden tiheys = 1,0 g/cm 3 Määritä 30% glykoliliuoksen tiheys. Kysymyksiä 1. Miten oman kokemuksesi perusteella kaasun liukoisuus veteen käyttäytyy, kun a) lämpötilaa nostetaan? b) painetta alennetaan? c) Miten kiinteän aineen liukoisuus veteen käyttäytyy, kun lämpötilaa nostetaan? Anna esimerkit kustakin tapauksesta. 2. Mikä on 5 (massa-)% NaCl -liuoksen konsentraatio mooleina litrassa. 4

5 Hapot, emäkset ja ph 1. Hapot * synnyttävät vedessä H+ -ioneja (, jotka veden kanssa muodostavat oksoniumioneja H 3 O + ) * reaktiota kutsutaan protolyysiksi: esim. HCl->H + + Cl - * happojen kationi on vety-ioni (poikkeuksiakin on) Vahvoja happoja: HCl suolahappo HNO 3 typpihappo H 2 SO 4 rikkihappo Happo on vahva, jos sen happovakio K a >1 Vahva happo protolysoituu n. 100%:sti. Heikkoja happoja: H 2 CO 3 hiilihappo H 3 PO 4 fosforihappo CH 3 COOH etikkahappo Heikko happo (Ka<1) protolysoituu alle 1% 2. Emäkset * synnyttävät vedessä hydroksidi-ioneja (OH - ) * esim. NaOH -> Na + + OH - Vahvoja emäksiä NaOH natriumhydroksidi KOH kaliumhydroksidi Ca(OH) 2 kalsiumhydroksidi ym. hydroksidit Heikkoja emäksiä NH 3 ammoniakki Na 2 CO 3 sooda eli natriumkarbonaatti KCN kaliumsyanidi ym. emäksiset suolat Vahvan emäksen emäsvakio Kb>1. Vain hydroksidit ovat vahvoja emäksiä. Heikon emäksen Kb<1. Tyypillisiä heikkoja emäksiä ovat heikkojen happojen anionit, kuten karbonaatti-ioni CO

6 Happojen ja emästen ominaisuuksia Hapot: syövyttävät metalleja, puuta, paperia, ihoa, maistuvat happamalta HCl = suolahappo (vatsahapot) H 2 SO 4 = rikkihappo (akussa) HCOOH = muurahaishappo Emäkset: väkevät emäkset syövyttäviä erityisesti rasva liukenee niihin käyttöä pesuaineina, orgaanisen jätteen liuottamisessa (NaOH = Kodin putkimies ) liukkaita, pintajännitys alhainen Bronstedtin happo-emästeorian mukaan happona ja emäksinä oleminen on suhteellinen käsite. Sama aine voi olla toisessa tilanteessa happona (luovuttaa H + :n), toisessa emäksenä (H + :n vastaanottajana). HCl + H 2 O -> H 3 O + + Cl - (vesi emäksenä) NH 3 + H 2 O -> NH 4+ + OH - (vesi happona) amfolyytti = aine, joka on joskus happo, joskus emäs ph -asteikko Happamuutta mitataan H+ -ionipitoisuudella käyttäen logaritmista ph -asteikkoa ph = -log[h + ] Veden autoprotolyysi: Puhdas vesi hajoaa vedessä itsestään ioneiksi: H 2 O -> H + + OH - (veden autoprotolyysi ) Hajoaminen etenee niin, että kummankin ionin pitoisuudeksi tulee 10-7 mol/l. Tällöin ph = -log[10-7 ] = 7 Neutraalin liuoksen ph = 7. H + ja OH - ioneja yhtä paljon 6

7 Veden ionitulo: Kaikissa liuoksissa [H + ]*[OH - ]=10-14 (veden ionitulo) Happamissa liuoksissa [H + ] > [OH - ], emäksisissä [OH - ]>[H + ], neutraaleissa liuoksissa molemmat Analogisesti voidaan määritellä poh -luku : poh = -log[oh - ] poh kuvaa liuoksen OH - pitoisuutta. Ionitulosta seuraa, että ph + poh = 14 kaikissa liuoksissa. 1. Vahvan hapon ph ph:n laskeminen Esim. Laske 0.5 M HCl- liuoksen ph (ts. Väkevyys = 0.5 mol/l ) protolyysireaktio: HCl -> H + + Cl- (hajoaa 100%) alussa lopussa Kaava: vahvan hapon ph=-log[happo] ph = -log[h + ]= -log[0.5]= 0.3 MaoL:n taulukossa happo- ja emäsvakioita vahvoja happoja on 7 kpl: kaikki typpihaposta ylöspäin. 7

8 2. Vahvan emäksen ph Esim. Laske 0.2 M NaOH- liuoksen ph reaktio vedessä NaOH -> Na + + OH- (hajoaa 100%) alussa lopussa Kaava: vahva emäs poh=-log[emäs] ph = 14 -poh poh = -log[oh - ]= -log[0.2]= 0.7 ph = 14 - poh = 13.3 MaoL:n taulukossa happo- ja emäsvakioita vahvoja emäksiä on vain 1 kpl. OH - -ioni. Ts. kaikki hydroksidit ovat vahvoja emäksiä. 1. Heikon hapon ph Esim. Laske 0.4 M H 2 CO 3 - liuoksen ph protolyysireaktio: H 2 CO 3 -> H + + HCO - 3 (hajoaa<1%) alussa lopussa 0.5-x x x Happovakio Ka = 4.3 * 10-7 (MaoL) antaa pitoisuusosamäärän arvon lopputilanteessa: x 2 /(0.5-x) = K a. Koska x on hyvin pieni, x 2 /0.5 = K a => x= [H+] = (0.5*Ka)= (0.5*4.3*10-7 ) ph = -log[h + ]= -log (0.5* 4.3*10-7 )= 3.3 Kaava: heikon hapon ph=log ([happo]*ka) 8

9 1. Heikon emäksen ph Esim. Laske 0.4 M NH 3 - liuoksen ph protolyysireaktio: H 2 O + NH 3 -> NH OH- (hajoaa <1%) alussa lopussa 0.4-x x x Emäsvakio Kb = 1.8 * 10-5 (MaoL) lopputilanteessa: x 2 /(0.4-x) = K b. Koska x on hyvin pieni, x 2 /0.4 = K b => x= [OH - ] = (0.4*K b )= (0.4*1.8*10-5 ) Kaava: heikko emäs poh=log ([emäs]*ka) ph = 14-pOH poh = -log[oh - ]= -log (0.4* 1.8*10-5 )= 2.6 ph = = 11.4 ph -kaavojen yhteenveto vahvan hapon ph=-log[happo] heikko happo ph=log ([happo]*ka) vahva emäs poh=-log[emäs] ph = 14 -poh heikko emäs poh=log ([emäs]*ka ) ph = 14-pOH 9

10 Suolaliuosten ph Suoloissa joko kationi tai anioni määrää, mihin em. tapauksista suolaliuos kuuluu. Esim. salmiakki NH 4 Cl on hapan, koska sen kationin NH 4+ happovakio Ka =5.6*10-10 > kloridi-ionin emäsvakio ph lasketaan siis heikon hapon kaavalla käyttäen ammoniumionin happovakiota. Eräät ionit, kuten HCO 3 - löytyvät sekä happojen ja emästen joukosta. Sen Kb 2.3*10-8 on suurempi kuin Ka. Tästä syystä esim. NaHCO 3 -liuoksen ph lasketaan heikon emäksen kaavalla käyttäen HCO 3 - ionin emäsvakiota Kb. Tehtäviä: 1. Luokittele yhdisteet seuraaviin luokkiin: A=vahva happo, B=vahva emäs, C= heikko happo, D= heikko emäs a) Ca(OH) 2 b) HCN c) KHCO 3 d) Na 2 SO 4 e) HNO 3 f) CH 3 COOK 2. Laske ph seuraaville liuoksille a) 0.05 M rikkihappo b) 0.15 M KOH c) 0.01 M Na 2 CO 3 d) 0.04 M NH 4 Br 10

11 Neutraloituminen happo + emäs -> suola + vesi Esim. HCl + NaOH => NaCl + H 2 O HCl + NH 3 => NH 4 Cl H 3 PO NaOH => Na 3 PO H 2 O Neutraloitumisessa ph lähestyy arvoa 7. Huom! 1 mooli suolahappoa vaatii 1 moolin NaOH:ia neutraloituakseen täydellisesti, mutta 1 mooli fosfori- happoa vaatii 3 moolia NaOH:ia. HCl on yksiarvoinen happo, fosforihappo on kolmi- arvoinen happo. Kolmiarvoinen happo vaatii siis 3 moolia yksiarvoista emästä. Usein neutraloitumisessa moolit korvataankin yksiköllä ekvivalentti. 1 mol kolmiarvoista happoa = 3 ekvivalenttia (3 val) 1 mol rikkihappoa H 2 SO 4 on vastaavasti 2 ekvivalenttia (2 val). 1 ekvivalentti happoa neutraloituu aina 1 ekvivalentilla emästä. Puskuriliuokset Jos esim. rikkihappoa sataa lampeen, jossa ei ole vedeen liuenneita ioneja, lammen ph alenee nopeasti, koska rikkihappo liukenee 100% H + ja sulfaatti-ioneiksi. Jos sen sijaan lammessa on ennestään esim. karbonaatti-ioneja CO 3 2-, niin nämä sitovat rikkihaposta liuenneet H+ -ionit muodostean hiilihappomolekyylejä. (Hiilihappohan heikkona happona oli veteen hyvin niukkaliukoinen). Lammen ph ei siis laske juurikaan happosateen seurauksena. Liuosta, jossa on heikon hapon anioneja, sanotaankin puskuriliuokseksi. Vesitutkijat mittaavat vesistöistä ko. anionien lukumäärää, jota sanotaan puskurikyvyksi. Kun anionit loppuvat, vesistö on suojaton happosateita vastaan. Veri on esimerkki puskuriliuoksesta. 11

12 Happoanhydridit Eräät epämetallioksidit ovat itse asiassa vedettömiä (100%) happoja. Niitä sanotaankin happojen anhydrideiksi. Niiden liuotessa veteen syntyy happoja, kuten näemme seuraavista esimerkeistä: CO 2 + H 2 O => H 2 CO 3 SO 3 + H 2 O => H 2 SO 4 N 2 O 5 + H 2 O => 2 HNO 3 Mm. alkalimetallit ja niiden oksidit muodostavat vedessä emäksiä: 2 Na + 2 H 2 O => 2NaOH + H 2 K 2 O + H 2 O => 2 KOH 12