REAKTIOT JA TASAPAINO, KE5 Neutraoituminen = suoan muodostus Taustaa: Tähän asti oaan tarkastetu happojen ja emästen vesiiuoksia erikseen, mutta nyt tarkasteaan mitä tapahtuu, kun happo ja emäs yhdistetään. Neutraoitumisreaktiossa vesiiuoksen oksonium- ja hydroksidi-ionit reagoivat keskenään muodostaen vettä. Nuoen suunta toisinpäin! Kun hapon ja emäksen väinen neutraoitumisreaktio kirjoitetaan täydeisesti, nähdään mistä haposta ja emäksestä on kyse. Samaa reaktioyhtäöön kirjoitetaan myös syntyvän suoan kaava. Esimerkiksi kun kasiumhydroksidin vesiiuos neutraoidaan typpihapon vesiiuoksea, saadaan reaktioyhtäö täydeisesti kirjoitettuna Ca 2+ aq + 2 OH aq + 2 NO 3 aq + 2 H 3 O + aq Ca 2+ aq + 2 NO 3 aq + 4 H 2 O. Tai yhyesti (yeensä) kirjoitettuna, muodostuva suoa on kasiumnitraatti. Ca OH 2 aq + 2 HNO 3 aq Ca NO 3 2 aq + 2 H 2 O. Esimerkki Kirjoita tasapainotettu reaktioyhtäö ja muodostuvan suoan nimi, kun neutraoidaan täydeisesti a) ammoniakin vesiiuos etikkahapon vesiiuoksea, b) aumiinihydroksidin vesiiuos rikkihapon vesiiuoksea. a) NH 3 aq + CH 3 COOH aq CH 3 COONH 4 aq tai NH + 4 aq + OH aq + CH 3 COOH aq CH 3 COONH 4 ammoniumasetaatti aq + H 2 O. b) 2 A OH 3 aq + 3 H 2 SO 4 aq A 2 SO 4 3 aumiinisufaatti aq + 6 H 2 O. 1
Suoaiuoksen ph 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. Esimerkiksi akai- ja maa-akaimetait eivät oe protoyyttejä. 2
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. Monet bioogiset prosessit ovat herkkiä ph:n muutoksie. Proteiinit saattavat denaturoitua/koaguoitua iian happamissa tai emäksisissä oosuhteissa. Eriaiset soutoiminnot saattavat häiriintyä tai estyä kokonaan. Aineita, jotka pystyvät neutraoimaan pieniä happamuuden ja/tai emäksisyyden muutoksia sanotaan puskureiksi. Puskureita ovat mm. veri ja maito. 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. 16 mo, 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 16 mo, joka Vesiiuokseen muodostuu oksoniumioneita, joten se muuttuu happamaksi ei ph-arvo askee. 3
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 16 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 16 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 16 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, 17 mo HSO4 10 K b,vesi 1,8 10 16 mo Vetysufaatti-ioni toimii vesiiuoksessa siis heikkona happona, ei iuokseen muodostuu oksoniumioneita, joten se muuttuu happamaksi ei ph-arvo askee.. 4
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 10 = 1,600 10. K a,c6 H 5 COOH 6,3 10 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. 5
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. Puskuriiuokset ja niiden toimintaperiaate Määritemä, puskuriiuos: Liuoksia, joiden ph-arvo ei merkittävästi muutu, kun niihin isätään pieniä määriä happoa tai emästä tai vettä (aimennus), sanotaan puskuriiuoksiksi. Puskuriiuoksia on siis kyky vastustaa ph:n muutoksia tiettyyn rajaan asti! Puskuriiuos koostuu aina heikosta haposta ja sen vastinemäksestä tai heikosta emäksestä ja sen vastinhaposta. Liuoksessa on siis aina sekä happona että emäksenä toimivia hiukkasia Käytännössä puskuriiuoksia vamistetaan seuraavasti: 1) Liuotetaan veteen heikkoa happoa ja sen vastinemästä sisätävää suoaa. Esimerkiksi etikkahappoa CH 3 COOH ja natriumasetaattia CH 3 COONa. Tai iuotetaan veteen heikkoa emästä ja sen vastinhappoa sisätävää suoaa. Esimerkiksi ammoniakkia NH 3 ja ammoniumkoridia NH 4 C. 2) Neutraoidaan heikon hapon vesiiuos vahvaa emäkseä esimerkiksi siten, että puoet happomoekyyeistä neutraoituu. Täöin iuoksessa on yhtä suuret ainemäärät heikkoa happoa ja sen vastinemästä. 6
Vastaavasti heikon emäksen vesiiuokseen isätään vahvaa happoa. Puskuriiuos pystyy vastustamaan parhaiten ph:n muutoksia, mikäi iuos sisätää yhtäsuuret konsentraatiot heikkoa happoa ja sen vastinemästä tai vastaavasti heikkoa emästä ja sen vastinhappoa. Täöin sanotaan, että iuoksea on hyvä puskurikapasiteetti. Puskuriiuoksia käytetään mm. biokemiaisissa tutkimuksissa ja kouumaaimassa ph-mittarien kaibrointiin. Siksi on tärkeää tietää/osata askea, kuinka vamistetaan puskuriiuos, joa on tietty ph-arvo. Puskuriiuosten toiminta voidaan ymmärtää neutraoitumisreaktion avua. Esimerkki 3 Opiskeijat vamistivat kome eri puskuriiuosta, joissa etikkahappo- ja asetaatti-ionikonsentraatiot tasapainotiassa vaihteivat seuraavasti: Puskuriiuos 1: c CH 3 COOH = 0,10 mo/ ja c CH 3 COO = 0,10 mo/ Puskuriiuos 2: c CH 3 COOH = 0,15 mo/ ja c CH 3 COO = 0,075 mo/ Puskuriiuos 3: c CH 3 COOH = 0,050 mo/ ja c CH 3 COO = 0,10 mo/ Mikä oi puskuriiuosten ph? Ratkaisu Jokaisen puskuriiuoksen ph voidaan askea etikkahapon happovakion ausekkeesta K a = CH 3COO H 3 O +, josta saadaan ratkaistua oksoniumionikonsentraatio yhtäöä H 3 O + Puskuriiuos 1 H 3 O + ja ph-arvoksi tuee CH 3 COOH mo = 1,8 10 ph = g 1,8 10 = 4,7447 4,74. = K a CH 3COOH CH 3 COO hyödyntäen. mo 0,10 mo 0,10 mo = 1,8 10 TAI Hend.-Hasse. yhtäö, joka on ns. ogaritminen muoto: ph = pk a + g A HA 7
Puskuriiuos 2 H 3 O + ja ph-arvoksi tuee Puskuriiuos 3 H 3 O + ja ph-arvoksi tuee Siis: Puskuriiuos 1: ph = 4,74 Puskuriiuos 2: ph = 4,44 Puskuriiuos 3: ph = 5,05 mo = 1,8 10 0,15 mo 0,075 mo mo = 3,6 10 ph = g 3,6 10 = 4,4437 4,44. mo = 1,8 10 mo 0,050 mo 0,10 mo = 0,9 10 ph = g 0,9 10 = 5,0458 5,05. Esimerkki 4 Kemian harjoitustyössä tarvittiin puskuriiuosta, joka tui vamistaa iuottamaa 15,0 grammaa ammoniumkoridia 500 miiitraan ammoniakkiiuosta, joe c NH 3 = 0,50 mo. Laske, mikä oi puskuriiuoksen ph. (Voidaan oettaa, että ammoniakkiiuoksen tiavuus ei juurikaan muutu kun ammoniumkoridi iukenee siihen.) Ratkaisu Akutiedot: m NH 4 C = 15,0 g, M NH 4 C = 53,492 g c NH 3 = 0,50 mo, V iuos = 500 m, K b, NH3 = 1,8 10 mo, ph? mo, Ammoniumkoridin NH 4 C iuetessa yksi mooi tuottaa yhden mooin NH 4 + - ioneja seuraavasti: NH 4 C s NH 4 + aq + C aq. Näin oen suoan iukenemisesta muodostuvien ammoniumionien konsentraatio puskuriiuoksessa on c NH 4 + = c NH 4 C = n NH 4C V iuos = m NH 4 C M NH 4 C 0,5 = 15,0 g g 53,492 mo 0,5 = 0,560 mo 8
Ammoniakin (emäs) protoyysireaktio on NH 3 aq + H 2 O NH 4 + aq + OH aq. Tauukoimaa konsentraatiot aussa ja tasapainossa sekä ottamaa huomioon, että nyt ammoniumionien akukonsentraatio poikkeaa noasta, saadaan + + NH 3 aq H 2 O NH 4 + aq OH aq c aku 0,50 0,5608 0 muutos x +x +x c tasap. 0,50 x 0,5608 + x x Sijoitetaan nyt tasapainokonsentraatiot ammoniakin emäsvakion ausekkeeseen (MAOL:sta emäsvakion arvo) ja ratkaistaan tuntematon x. K b, NH3 = NH 4 + NH 3 OH 1,8 10 0,5608 x + x2 = 0,50 x x 2 + 0,5608 + 1,8 10 x 9,0 10 6 = 0 Toisen asteen yhtäön ratkaisuiksi saadaan x 1 0,5608655, x 2 1,60466 10, joista hyväksytään vain positiivinen x 2. Näin oen iuoksen hydroksidi-ionien konsentraatioe saadaan OH mo = 1,60466 10. Tästä voidaan määrittää iuoksen ph-arvo, kun oetetaan jäeen, että ämpötia T = 25 ph = 14,00 poh = 14 g 1,60466 10 9,205 9,21. 9
Miten puskuriiuokset vastustavat ph:n muutoksia Tarkasteaan tarkemmin etikkahappo-asetaattipuskuriiuosta. Sen ph-arvo määräytyy siis yhtäöstä K a = CH 3COO H 3 O + CH 3 COOH josta saadaan askettua oksoniumionikonsentraatio H 3 O + ja tästä edeeen iuoksen ph-arvo., = K a CH 3COOH CH 3 COO Kun etikkahappo ja natriumasetaatti iukenevat veteen, vesiiuoksessa etikkahappo protoysoituu ja suoa iukenee oheisten reaktioyhtäöiden mukaisesti CH 3 COOH aq + H 2 O CH 3 COO aq + H 3 O + aq, CH 3 COONa s CH 3 COO aq + Na + aq. Kun iuokseen isätään pieni määrä happoa, ei kun iuoksen oksoniumionikonsentraatio kasvaa, toimivat asetaatti-ionit emäksenä ja neutraoivat isätyn hapon reaktioyhtäön CH 3 COO aq + H 3 O + aq mukaisesti. CH 3 COOH aq + H 2 O Reaktiossa siis muodostuu isää etikkahappoa ja asetaatti-ionien määrä hieman vähenee. Tämän seurauksena osamäärä ei suhde CH 3COOH CH 3 COO ausekkeessa K a CH 3COOH CH 3 COO hieman kasvaa (osoittaja kasvaa ja nimittäjä pienenee), josta seuraa myös, että H 3 O + kasvaa. Mutta ausekkeen avua askettu ph-arvo ei merkittävästi muutu! Vastaavasti, jos iuokseen isätään pieni määrä emästä, ei iuokseen muodostuu isää hydroksidi-ioneja, neutraoivat etikkahappo-moekyyit ne reaktioyhtäön CH 3 COOH aq + OH aq mukaisesti. CH 3 COO aq + H 2 O Muutos pienentää suhdetta CH 3COOH CH 3 COO ja näin oen H 3O + hieman pienenee, mutta ph-arvo pysyy ähes vakiona. 10
Aa oeva kaaviokuva seventää puskuriiuoksen toimintaperiaatetta ja miksi ph-arvo pysyy ähes muuttumattomana pienten happo-/emäsisäysten jäkeen. Esimerkki 5 a) Osoita reaktioyhtäöin, että NH 3 /NH 4 C-iuos voi toimia puskuriiuoksena. b) Puskuriiuoksessa c NH 3 = 0,25 mo ja c NH + 4 = 0,25 mo ja sen ph on 9,26. Laske, kuinka monta ph-yksikköä ja mihin suuntaan puskuriiuoksen pharvo muuttuu, kun itraan tätä iuosta isätään 10 m suoahappoa, jonka konsentraatio on 2,0 mo. Ratkaisut a) NH 3 /NH 4 C-iuos toimii puskuriiuoksena seuraavasti: Kun iuokseen isätään happoa, ei kun oksoniumionikonsentraatio kasvaa, protoysoitumattomat ammoniakkimoekyyit toimivat emäksenä ja neutraoivat isätyn hapon. Reaktioyhtäö on täöin NH 3 aq + H 3 O + aq NH 4 + aq + H 2 O. Vastaavasti, kun iuokseen isätään emästä, ei kun hydroksidi-ionien konsentraatio kasvaa, niin ammoniumionit neutraoivat isätyn emäksen. Reaktioyhtäö on täöin NH 4 + aq + OH aq NH 3 aq + H 2 O. 11
Ratkaisut (jatkuu) b) Akutiedot: c NH 3 = 0,25 mo, c NH + 4 = 0,25 mo, ph = 9,26, V puskuriiuos = 1, V HC = 10 m, c HC = 2,0 mo. Lisätyn hapon ainemääräksi saadaan, n = c V n HC = 2,0 mo 0,01 = 0,020 mo. Koska vetykoridihappo on vahva happo se protoysoituu täydeisesti. Näin oen iuokseen muodostuu 0,020 mooia oksoniumioneita. a)-kohdan reaktioyhtäöiden nojaa tehty happoisäys kuuttaa 0,020 mooia ammoniakkia ja vastaavasti ammoniumionien ainemäärä kasvaa 0,020 mooia. Uudet konsentraatiot ovat (uudea tiavuudea!) c NH 3 = c NH 4 + = 0,25 0,020 1,010 0,25 + 0,020 1,010 mo mo = 23 mo 0,2277 mo 101 = 27 mo 0,2673 mo 101 Ratkaisut (jatkuu) Ratkaistaan OH ammoniakin emäsvakion ausekkeesta K b = NH 4 + OH OH = K b, NH 3 NH 3 + OH = 1,8 10 0,2277 NH 4 0,2673 = NH 3 23 1500000 Liuoksen ph-arvoksi tuee OH mo 1,53 10 ph = 14,00 poh = 14 g 1,53 10 9,1856 9,19. ph-arvon muutos on siten (itseisarvo antaa ukuarvon, suunta pääteään) ph = 9,26 9,1856 0,07436 0,070 Ja iuos muuttuu happamammaksi, koska ph-arvo pienenee. 12
Puskuroitu ja puskuroimaton särkyääke puskuroimaton puskuroitu 13