Suoaiuoksen ph REAKTIOT JA TASAPAINO, KE5 Liuoksen ph-arvoon vaikuttaa oksonium- ja hydroksidi-ionien ainemäärien isäksi neutraoitumisessa muodostuvan suoan protoyysi sen mukaan mistä suoasta on kyse. Suoat iukenevat veteen ioneina, joia voi oa joko happotai emäsuonnetta. Jos veteen iuenneea ionia on happouonnetta ei jos se pystyy uovuttamaan protonin, niin suoan vesiiuoksen ph-arvo askee. Vastaavasti ionia on emäsuonnetta, jos se pystyy ottamaan protonin vastaan, jooin suoan vesiiuoksen ph-arvo nousee. Jotta pystytään päätteemään, onko suoaiuos hapan, neutraai vai emäksinen, tuee tarkastea suoan muodostavien ionien toimimista heikkoina happoina / emäksinä. Mikäi protoyyttinä toimivan ionin happo-, emäsvakio on suurempi kuin veden vastaava arvo, aiheuttaa suoan iukeneminen vesiiuoksen ph:n muutoksen. Yeisesti suoojen metai-ioneia, esim. K +, Na + ja Ca 2+, ei oe happo-emäsuonnetta. Poikkeuksena ionikootaan pienet kationit, joia on suurehko varaus, esim. Fe 3+ ja A 3+, jotka vesiiuoksessa hydratoituneina voivat toimia happoina. Lewish. Vahvoja happoja (esim. HC, HNO 3, H 2 SO 4 ) vastaavat emäkset ovat emäksinä vesimoekyyiäkin heikompia, siksi esimerkiksi ruokasuoan NaC vesiiuos on neutraai. Toisaata natriumasetaatin CH 3 COONa vesiiuos on emäksinen: Na + on neutraai, mutta asetaatti-ioni CH 3 COO on emäs, K b 5,9 10 10 (veden emäsvakio on K b,vesi 1,8 10 16 ). 1) NaC, 2) NH 4 C ja 3) CH 3 COONa. Yamada-yeisindikaattoriiuoksessa. Sen sijaan heikkojen emästen vastinhapot ovat happamia. Jotkut ionit voivat toimia joko happoina tai emäksinä, ei ovat amfoyyttejä, esimerkiksi vetysufaatti-ioni HSO 4 divetyfosfaatti-ioni H 2 PO 4. 1
Suoaiuoksen ph voi oa neutraai, hapan tai emäksinen, riippuen siitä mitä ioneita iuoksessa on ja kuinka vahvoja happoja/emäksiä ne ovat. Myöhemmin (askut) isää suoaiuoksen ph:sta. 2
Vertaiemaa happo- tai emäsvakioiden ukuarvoja voidaan pääteä syntyykö suoa vai ei. 3
Aminohapot esiintyvät ns. fysioogisissa oosuhteissa, ei ph on noin 7,4 kahtaisionimuodossa. Kahtaisionimuoto, ei moekyyin sisäinen protonin siirto. Esimerkki Mihin suuntaan muuttuu vesiiuoksen ph-arvo, kun seuraavia suooja iuotetaan veteen? a) Ammoniumkoridi NH 4 C s b) Natriumasetaatti CH 3 COONa s c) Kaiumkarbonaatti K 2 CO 3 s d) Kasiumvetysufaatti Ca HSO 4 2 s Ratkaisut a) Ammoniumkoridi iukenee veteen seuraavasti: NH 4 C s NH + 4 aq + C aq Koridi-ioni on vetykoridia (vahva happo) vastaava erittäin heikko emäs, sen emäsvakio K b,c < K b,vesi 1,8 10 vesiiuoksen ph:ta., joten koridi-ionit eivät muuta Ammoniumioni sen sijaan on heikko happo, K a,nh4 + 5,6 10. Ammonium- on suurempi kuin veden happovakio K a,vesi 1,8 10 ionit protoysoituvat seuraavasti. Huomaa tasapainonuoi! NH 4 + aq + H 2 O NH 3 aq + H 3 O + aq. 10 mo, joka Vesiiuokseen muodostuu oksoniumioneita, joten se muuttuu happamaksi, ei ph-arvo pienenee. 4
b) Natriumasetaatti iukenee veteen seuraavasti: CH 3 COONa s Na + aq + CH 3 COO aq Natriumioneia ei oe happo/emäsuonnetta, mutta asetaatti-ioni on heikko mo emäs K b,ch3 COO 5,6 10 10 > K b,vesi 1,8 10. Asetaatti-ionit protoysoituvat seuraavasti: CH 3 COO aq + H 2 O CH 3 COOH aq + OH aq. Vesiiuokseen muodostuu hydroksidi-ioneita, joten se muuttuu emäksisemmäksi ei ph-arvo nousee. c) Kaiumkarbonaatti iukenee veteen seuraavasti: K 2 CO 3 s 2 K + aq + CO 2 3 aq Kaiumioneia ei oe happo/emäsuonnetta, mutta karbonaatti-ioni voi toimia 4 mo vedessä emäksenä K 2 b,co3 2,1 10 > K b,vesi 1,8 10. Karbonaatti-ionit protoysoituvat seuraavasti: CO 3 2 aq + H 2 O HCO 3 aq + OH aq. Vesiiuokseen muodostuu hydroksidi-ioneita, joten se muuttuu emäksisemmäksi ei ph-arvo nousee. d) Kasiumvetysufaatti iukenee veteen seuraavasti: Ca HSO 4 2 s Ca 2+ aq + 2 HSO 4 aq Vain vetysufaatti toimii protoyyttinä (kasium kuuuu maa-akaimetaeihin). Kaiken isäksi vetysufaatti on amfoyytti. Vertaiaan vetysufaatin happo- ja emäsvakioita veden vastaaviin: Kun vetysufaatti-ioni toimii happona, niin protoyysireaktio on HSO 4 aq + H 2 O SO 4 2 aq + H 3 O + aq. ja K a, 2 mo HSO4 1,1 10 K a,vesi 1,8 10. Kun vetysufaatti-ioni toimii emäksenä, niin protoyysireaktio on HSO 4 aq + H 2 O H 2 SO 4 aq + OH aq. ja K b, HSO4 10 17 mo K b,vesi 1,8 10 Vetysufaatti-ioni toimii vesiiuoksessa siis heikkona happona, ei iuokseen muodostuu oksoniumioneita, joten se muuttuu happamaksi ei ph-arvo askee.. 5
Suoaiuoksen tarkka ph-arvo saadaan askettua, kun tiedetään, kuinka pajon suoaa veteen on iuennut ja mikä on muodostuneen iuoksen tiavuus. Esimerkki 2 3,818 grammaa natriumbentsoaattia C 6 H 5 COONa iuotetaan veteen siten, että iuoksen opputiavuudeksi tuee 500 m. Laske iuoksen ph. Ratkaisu Akutiedot: m C 6 H 5 COONa = 3,818 g, M C 6 H 5 COONa = 144,10 g/mo ja V iuos = 500 m. ph=? Natriumbentsoaattia iukenee veteen seuraavasti C 6 H 5 COONa s C 6 H 5 COO aq + Na + aq, Joten sen konsentraatioksi saadaan c C 6 H 5 COONa = n V = m mo = 0,0529909. M V Suoan ioneista vain bentsoaatti-ioni on protoyytti (bentsoehapon iittoemäs). Se protoysoituu vedessä seuraavasti C 6 H 5 COO aq + H 2 O C 6 H 5 COOH aq + OH aq Bentsoaatti-ionin emäsvakiota ei tiedetä se pitää askea veden ionituon ja bentsoehapon happovakion avua. Koska K a,c6 H 5 COOH K b,c6 H 5 COO = K w, niin K b,c6 H 5 COO = K 1,008 10 14 2 mo w mo = 1,600 10 10. K a,c6 H 5 COOH 6,3 10 5 mo Merkitään iuokseen muodostuvaa hydroksidi-ionin konsentraatiota x:ä ja aaditaan bentsoaatti-ionin protoyysitasapainoreaktiosta tauukko C 6 H 5 COO aq + H 2 O C 6 H 5 COOH aq + OH aq c aku 0,05299 0 0 muutos x +x +x c tasap. 0,05299 x x x Sijoitetaan nyt tasapainokonsentraatiot bentsoaatti-ionin emäsvakion ausekkeeseen ja ratkaistaan tuntematon x. 6
Saadaan K b = C 6H 5 COOH OH C 6 H 5 COO 1,600 10 10 x 2 = 0,05299 x x 2 + 1,600 10 10 x 8,478 10 12 = 0 Toisen asteen yhtäön ratkaisuiksi saadaan x 1 2,912 10 6, x 2 2,912 10 6, joista hyväksytään vain positiivinen x 1. Näin oen iuoksen hydroksidi-ionien konsentraatioe OH 2,912 10 6, yksikkönä mo. Tästä voidaan määrittää iuoksen ph-arvo (oetetaan, että ämpötia T = 25 ) ph = 14,00 poh = 14 g 2,912 10 6 8,46. 7