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. HCl, H 2 SO 4 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. 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 O l H 2 PO 4 aq + H 3 O + aq H 2 PO 4 aq + H 2 O l HPO 4 2 aq + H 3 O + aq HPO 4 2 aq + H 2 O l PO 4 3 aq + H 3 O + 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 oksonium-ioni 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 happo 1 + H 2 O l emäs 2 CH 3 COO aq emäs 1 + H 3 O + aq happo 2 2

3 Esimerkki: Tunnista seuraavista reaktioista happo-emäs parit: a) HNO 3 aq + H 2 O l NO 3 aq + H 3 O + aq b) HF aq + H 2 O l F aq + H 3 O + aq c) CH 3 NH 2 aq + H 2 O l 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 happo 1 + H 2 O l emäs 2 NO 3 aq emäs 1 + H 3 O + aq happo 2 b) HF aq happo 1 + H 2 O l emäs 2 F aq emäs 1 + H 3 O + aq happo 2 c) CH 3 NH 2 aq emäs 1 + H 2 O l happo 2 CH 3 NH 3 + aq happo 1 + OH aq emäs 2 d) NH 3 aq emäs 1 + H 2 PO 4 aq happo 2 NH 4 + aq happo 1 + HPO 4 2 aq emäs 2 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. Happo- ja emäsvakio kertoo protolyytin vahvuuden Luokittelu vahvoihin ja heikkoihin happoihin/emäksiin perustuu siihen, miten täydellisesti protolyysireaktio tapahtuu. Vahvoilla reaktion voidaan katsoa etenevän loppuun asti, siksi käytetään yksisuuntaista reaktionuolta, eli tasapaino on hyvin vahvasti oikealla. Esimerkiksi vetykloridihapon protolyysireaktio: 5

6 Heikon ja vahvan hapon eroja protolyysireaktiossa voidaan havainnollistaa graafisesti pylväskuvioiden avulla: Huomaa erot reaktionuolissa! Heikkojen happojen/emästen protolyysireaktioissa syntyy tasapainotila. Tällöin vesiliuoksessa on aina tietty määrä kaikkia reaktioon osallistuvia aineita ja reaktionuolena on kaksoisnuoli. Esimerkiksi metaani- eli muurahaishapon protolyysireaktio: HCOOH aq muurahais eli metaanihappo + H 2 O l HCOO aq metanaatti ioni + H 3 O + aq oksoniumioni Tälle tasapainoreaktiolle tasapainovakion lauseke on K = HCOO H 3 O + HCOOH H 2 O. Koska veden alkukonsentraatio on hyvin suuri verrattuna hapon alkukonsentraatioon, pysyy veden konsentraatio kutakuinkin vakiona. Yllä oleva K:n lauseke kerrottuna veden konsentraatiolla antaa K H 2 O = HCOO H 3 O + HCOOH, missä tuloa K H 2 O merkitään K a ja sanotaan happovakioksi. 6

7 Yleisesti mille tahansa heikolle hapolle HA saadaan HA aq + H 2 O l A aq + H 3 O + aq K a = A H 3 O +. HA Vastaavasti mille tahansa heikolle emäkselle (esim. ammoniakki) B saadaan B aq + H 2 O l BH + aq + OH aq K b = BH+ OH B missä tuloa K H 2 O merkitään K b ja sanotaan emäsvakioksi. MUISTA! Sekä happo- että emäsvakion lausekkeen konsentraatiot ovat tasapainokonsentraatioita eivätkä hapon/emäksen alkukonsentraatioita!, Esimerkki: Kirjoita a) typpihapokkeen protolyysireaktio ja happovakio lauseke, b) dimetyyliamiinin protolyysireaktio ja emäsvakion lauseke. Etsi taulukkokirjasta näiden vakioiden arvot ja yksiköt. Ratkaisu a) Typpihapokkeen protolyysireaktio on HNO 2 aq + H 2 O l NO 2 aq + H 3 O + aq, joten sen happovakion lausekkeeksi tulee K a HNO 2 = NO 2 H 3 O + HNO 2. b) Dimetyyliamiinin protolyysireaktio on CH 3 2 NH aq + H 2 O l CH 3 2 NH 2 + aq + OH aq, joten sen emäsvakion lausekkeeksi tulee K b CH 3 2 NH = CH 3 2NH 2 + OH CH 3 2 NH Taulukkokirja antaa: K a HNO 2 7, mol/dm 3 ja K b CH 3 2 NH 5, mol/dm 3. 7

8 Taulukkokirjoihin on listattu useiden happojen ja emästen happo- ja emäsvakioiden arvoja, joista voidaan päätellä protolyytin vahvuus: Suuri happovakion arvo kertoo, että protolyysireaktiossa tasapaino on voimakkaasti reaktiotuotteiden puolella (osoittaja on iso). Mitä suurempi on happo- tai emäsvakio, sitä täydellisemmin protolyysireaktio tapahtuu. Taulukkokirjoissa esiintyy K a ja K b -merkintöjen lisäksi merkinnät pk a, pk b. Näiden välinen suhde on logaritminen: pk a = log 10 K a K a = 10 pk a mol/dm 3 pk b = log 10 K b K b = 10 pk b mol/dm 3 Kun happo- tai emäsvakion arvo ratkaistaan niiden lausekkeista, saadaan lukuarvolle aina yksikkö mol/dm 3. Huomaa, että lämpötila vaikuttaa! Kun verrataan vahvan hapon happovakiota sen vastinemäksen emäsvakioon, havaitaan, että vahvaa happoa vastaa aina heikko emäs. Vastaavasti vahvan emäksen vastinhappo on heikko. Veden ionitulo ja autoprotolyysi 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. 8

9 Tämän reaktion tasapainoasema on voimakkaasti lähtöaineiden puolella. Puhtaassa vedessä on tarkkojen mittausten perusteella saatu 25 :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 2 O 2 K w = K H 2 O 2 = H 3 O + OH. K w = 1, mol dm 3 Tämä on veden ionitulo. 2 = 1, mol dm 3 2, T = 25. 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 2 O l A aq + H 3 O + aq A aq + H 2 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. 9

10 Esimerkki: Rikkihapokkeen H 2 SO 3 happovakion arvo on 1, mol/l. Laske sen vastinemäksen emäsvakion arvo. Ratkaisu Rikkihapoke on heikko happo, joka protolysoituu seuraavasti H 2 SO 3 aq + H 2 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 2 SO 3 1, mol/l 2 7, mol/l. Oksoniumioni vedessä (s. 56) Luku 3 (4) 10

11 Vetykloridin vesiliuoksessa tapahtuu monia reaktioita (s. 58) Luku 3 (5) Jäikö mieleen? (s. 58) Luku 3 (6) 11