KEMA02 Oorganisk kemi grundkurs F3

Transkript

1 KEMA02 Oorganisk kemi grundkurs F3 Syror och baser Atkins & Jones kap

2 Översikt Syror och baser grundläggande egenskaper och begrepp Autoprotolys och ph Svaga syror och baser ph i lösningar av svaga syror och baser Flerprotoniga syror Repetition från F2 Brønsted-Lowry syror och baser, Lewissyror och -baser Deprotonering protonering Korresponderande syra och bas (konjugerade syra-baspar) Sura, basiska och amfotera oxider Syra-basjämvikter Reaktioner, jämviktsekvationer, K a, K b Vattnets autoprotolys, K w ph, poh, pk a, pk b Faktorer som påverkar syrastyrka Oxosyror, oxohalogensyror, karboxylsyror Beräkningar av ph, pk a, pk b, deprotonerings- och protoneringsgrad

3 11.13 Upplösning av salter och ph-påverkan Vad händer när man löser upp salter av svaga syror och baser i vatten? Hur påverkas ph? Upplösning av salter Klassificering av katjoner Katjoner som är konjugerade syror till svaga baser sura lösningar Exempel: NH 4+, RNH 3 + dvs katjoner av aminer generellt! Små, högt laddade katjoner (Lewissyror) sura lösningar Exempel: Fe 3+ Al 3+ pk a : 2,46 4,85 Fe(H 2 O) H 2 O(l) Fe(OH)(H 2 O) H 3 O + (aq) Katjoner grupp 1 (Na +, K + ) och grupp 2 (Mg 2+, Ca 2+ ) ingen (liten) effekt på ph! Katjoner med +1-laddning övriga grupper påverkar ej eller ph Inga katjoner är basiska

4 11.13 Upplösning av salter Klassificering av anjoner Anjoner som är konjugerade baser till svaga syror basiska lösningar Exempel: CN, CO 3, PO 4, S, karboxylatanjoner R COO Anjoner till starka syror neutrala lösningar (ingen ph-påverkan) Exempel: Cl, Br, NO, ClO 4 Anjoner som är konjugerade baser till flerprotoniga syror (utom sista protolyssteget, se överst) sura lösningar Exempel: HSO 4, H 2 PO 4 Ammoniumklorid (salmiak) i vatten Atkins exempel Beräkna ph i en lösning av 0,15 M NH 4 Cl (aq) K b (NH 3 ) = 1, M Räknas på tavlan!

5 Ammoniumklorid (salmiak) i vatten Atkins exempel Svar: ph = 5,04 Slutsats: en salmiaklösning är sur! Flerprotoniga syror & baser Flerprotonig syra (polyprotic acid) En förening som kan donera mer än en proton Exempel: H 2 SO 4, H 2 CO 3, H 3 PO 4 Flerprotonig bas (polyprotic base) En förening som kan ta upp mer än en proton Exempel: CO 3, PO 4, SO 3 Varför viktiga? Industriella processer Biologiska buffertsystem

6 Viktiga flerprotoniga syror Se A&J tabell Protolyt fullt protonerad H 2 CO 3 kolsyra H 3 PO 4 fosforsyra H 2 SO 3 svavelsyrlighet H 2 SO 4 svavelsyra pk a1 pk a2 pk a3 6,37 10,25 2,12 7,21 12,68 1,81 6,91 <0 1,92 K a1 >>K a2 >>K a3 pk a1 <<pk a2 <<pk a3 H 2 SO 4 : Stark syra, första deprotoneringssteget bestämmer i huvudsak ph, andra deprotoneringssteget bidrar till ytterligare ph-sänkning Övriga: Första deprotoneringssteget bestämmer ph (ytterligare omsättning försummas. Då [syra]:[konjugerad bas] 1:1 bra biologiska buffertar Salter av polyprotiska syror ph i lösning Exempel 11.12a Beräkna ph i 0,20 M NaH 2 PO 4 Utgångsprotolyter Na + 0,20 M H 2 PO 4 0,20 M påverkar ej ph kan reagera både som syra och bas Tänkbara reaktioner 1. H 2 PO 4 (aq) + H 2 O(l) HPO 4 (aq) + H 3 O + (aq) pk a2 = 7,21 2. H 2 PO 4 (aq) + H 2 O(l) H 3 PO 4 (aq) + OH (aq) pk b2 = pk w pk a2 = 14,00 2,12 = 11,88 ph beräknas med: ( ) = 1 ( 2,12+ 7,21) = 4,66 2 ph = 1 2 pk a1 +pk a2

7 fortsättning Uttrycket ph = 1 2 (pk a1 +pk a2 ) kan härledas men det är inte aktuellt just nu! OBS! Uttrycket för ph ovan ska användas vid rätt tillfälle och under rätt betingelser! S = begynnelsekoncentrationen av saltet Kontrollera att: cc S >> K w K a2 S >> K a1 Använd rätt K a och pk a! Koncentrationsbestämningar Halter av samtliga komponenter Räknas på tavlan Exempel Speciering i 0,10 M H 3 PO 4 (aq) Strategi: Behandla en jämvikt i taget! H 3 PO 4 (aq) H 2 PO 4 (aq) HPO 4 (aq) PO 4 (aq) Reaktion 1 Dominerar bestämmer ph, [H 3 PO 4 ] och [H 2 PO 4 ] Reaktion 2 Bestämmer [HPO 4 ] Reaktion 1 Bestämmer [PO 4 ] pk a1 = 2,12 pk a2 = 7,21 pk a3 = 12,68 K a1 = 7, M K a2 = 6, M K a3 = 2, M

8 11.16 Koncentrationsbestämningar 2(6) Reaktion 1 Ingångsparametrar pk a1 = 2,12 pk a2 = 7,21 pk a3 = 12,68 given i uppg K a1 = 7, M K a2 = 6, M K a3 = 2, M Utgångsprotolyter syror: H 3 PO 4 (aq) 0,10 M; H 2 O(l) baser: H 2 O(l) Antagande Första deprotoneringssteget dominerar och bestämmer ph Reaktion 1 H 3 PO 4 (aq) + H 2 O(l) H 2 PO 4 (aq) + H 3 O + (aq) FB 0,10 M K a1 = [H 2 PO 4][H 3 O + ] [H 3 PO 4 ] VJ 0,10 x x x M K a1 = x 2 (0,10 x) = 7, M måste lösas exakt eftersom x inte är << 0, Koncentrationsbestämningar 3(6) Reaktion 1 forts K a1 = [H 2PO 4 ][H 3 O + ] [H 3 PO 4 ] K a1 = x 2 (0,10 x ) 0,10K a1 K a1 x = x 2 x 2 + K a1 x 0,10K a1 = 0 x = K a1 2 ± ( K a1 ) ,10K a1 2 x = 7, ± ( 7, ) ,10 7, x 1 = 2, ; (x 2 = 3, ) [H 3 O + ] = [H 2 PO 4 ] = 2, M (men se vidare ber.) [H 3 PO 4 ] = 0,10 0,024 = 0,076 M

9 11.16 Koncentrationsbestämningar 4(6) Reaktion 2 Beräkning av [HPO 4 ] Reaktion 2 H 2 PO 4 (aq) + H 2 O(l) HPO 4 (aq) + H 3 O + (aq) FB 2, , M VJ 2, x x 2, x M K a2 = [HPO 4 ][H 3 O + ] = x (2, x ) = 6, M [H 2 PO 4 ] (2, x ) Antag x << 2, x K a2 = 6, M dvs försumningen är OK! [HPO 4 ] = 6, M [H 2 PO 4 ] = 2, M; [H 3 O + ] = 2, M Denna reaktion bidrar inte nämnvärt till ph eller [H 2 PO 4 ], men kan användas för att beräkna [HPO 4 ] Koncentrationsbestämningar 5(6) Reaktion 3 Beräkning av [PO 4 ] Reaktion 2 HPO 4 (aq) + H 2 O(l) PO 4 (aq) + H 3 O + (aq) FB 6, , M VJ 6, x x 2, x M K a3 = [PO 4 ][H 3 O + ] = x (2, x ) = 2, M [HPO 2 4 ] (6, x ) Antag x << 6, x = 2, , , = 5, M dvs försumningen är OK! [PO 4 ] = 5, M Denna reaktion bidrar inte heller nämnvärt till ph eller [HPO 4 ], men kan användas för att beräkna [PO 4 ].

10 11.16 Koncentrationsbestämningar Summering Slutligen: [OH ] = K w / [H 3 O + ] = 1, / 2, = 4, M Speciering i 0,10 M H 3 PO 4 Species Beräknad koncentration (M) H 3 PO 4 7, Beräknas ur reaktion 1 H 2 PO 4 2, Beräknas ur reaktion 1 H 3 O + 2, Beräknas ur reaktion 1 HPO 4 6, Beräknas ur reaktion 2 PO 4 5, Beräknas ur reaktion 3 OH 4, Beräknas ur K w Obs! Halten av varje species är vid jämvikt konstant, oberoende vilken reaktion man räknar på! Koncentrationerna av alla species i en lösning av en polyprotisk syra kan beräknas genom att man antar att de species som förekommer i låga halter inte påverkar koncentrationerna av species som förekommer i höga halter. Summering Salter och dessas påverkan på ph Klassificering av anjoner och katjoner Flerprotoniga syror Salter av polyprotisk syror, användningsbetingelser ph = 1 ( 2 pk a1 +pk a2 ) och Beräkning av halterna av alla protolyter i en lösning