Syror och Baser. Syror och baser. Förväntade studieresultat. Syrors och basers egenskaper

Transkript

1 Förväntade studieresultat Redogöra för p-begreppet samt syrors och basers grundläggande egenskaper Redogöra för enklare kemiska jämvikter och buffertsystem Syror och Baser Utföra enklare beräkningar på jämviktssystem i vattenlösning samt i gasfas, inklusive protolys-jämvikter, buffertsystem och löslighetsjämvikter Ed s. S. Wikman, Andersson,. & Edman, K. Rev. t-13 Syror och baser Kapitel 15, Chang 11th ed., s Syrors och basers egenskaper Syra-styrka p-skalan p-beräkning i lösningar av starka resp. svaga syror Baser p-beräkningar svaga baser Polyprotiska syror Salters & oiders syra-bas-egenskaper Sambandet syra-basegenskaper struktur Lewissyror och baser Syrors och basers egenskaper Syror Smakar surt (jfr ättika, citronsyra, askorbinsyra) Reagerar med vissa metaller under bildande av (g) Reagerar med vissa karbonater & vätekarbonater under bildande av CO (g) Vattenlösningar av syror leder elektrisk ström Baser Smakar bittert Känns tvåliga på huden Vattenlösningar av baser leder elektrisk ström

2 Syror och baser Svante Arrhenius, 1884 Syra: avger Bas: avger O - Brønsted-Lowry, 193 Syra: -donator Bas: -acceptor E. Cl Cl NaO Na O E. N 3 N 4 Syra-baspar Eempel N 3 O N 4 O -N 3 och N 4 utgör ett syra-baspar - Vem är syran? den som avger protoner: O - Vem är basen? den som tar upp protoner: N 3 - N 4 är den konjugerade syran till basen N 3 Lewis, 193 Lewissyra: elektronparsacceptor Lewisbas: elektronparsdonator Syra & korresponderande bas Alla syror har en korresponderande bas (Syrabaspar) och omvänt: Konjugerad Syra 1 hydroniumjon bas 1 A(aq) O(l) A (aq) 3 O (aq) Bas Konjugerad syra A och A utgör ett syra-baspar A är den konjugerade basen till syran A O och 3 O utgör ett syra-baspar 3 O är den konjugerade syran till basen O Stark eller svagt syra resp. bas - Jämviktens läge avgör De två baserna ( O & A - ) konkurrerar om Reaktionen går åt det håll som ger den svagaste syran och basen; den starkaste basen får Stark syra Svag syra

3 Syrakonstanten, Ka A(aq) O(l) A (aq) 3 O (aq) [A ][ 3O ] [A][ O] - [A ][ O ] K[ O] [A] K a - 3 K K a K [ O] [ O] konstant i utspädd vattenlösning K a kan även ses som jämviktskonstanten för reaktionen A A - Svaga syror Om A är en svag syra är jämvikten starkt förskjuten mot vänster A(aq) O(l) A (aq) 3 O (aq) Värdet på K a litet Syran delvis dissocierad E. K a 10-4, endast 1/ är dissocierad Dess korresponderande bas är en stark bas E. svaga syror: OAc, CO 3, F, N 4. Starka syror Om A är en stark syra är jämvikten starkt förskjuten mot höger A(aq) O(l) A (aq) 3 O (aq) Värdet på K a stort & generellt osäkert (K a > 56) Syran fullständigt dissocierad En stark syras korresponderande bas är svag Eempel: SO 4, Cl, NO 3, ClO 4 Syra-bas egenskaper hos vatten Vatten verkar både som syra och bas Som syra med en bas, e. N 3 O N 4 O Som bas med en syra, e. Cl O Cl 3 O Vatten har sk. autojonisering: Autoprotolys O O konjugerad syra bas O O 3 O O - bas konjugerad syra [ ] O O -

4 Vatten är en amfolyt En amfolyt kan fungera både som syra och bas O O O 3 O syra 1 bas bas 1 syra Jämviktskonstanten K c, för vattens autoprotolys: - [O ][ 3O ] - K C K C[ O] [O ][ 3O ] [ O][ O] K w K w kan även ses som jämviktskonstanten för reaktionen O O - p, po, pk w p log[3 O ] log[ ] [ ] M p 5 po log[o ] [O - ] M po 3 pk w p po 14 po 3 p 11 Kw - vattnets protolyskonstant I rent vatten vid 5 o C: [ ] [O ] 1, M Därmed: Kw 1, , , Neutral lösning: [ ] [O ] 1, M, Sur lösning: [ ] > [O ] Basisk lösning: [ ] < [O ] Kw är temperaturberoende Kw förskjuts i vätske-vätskeblandningar, e.-vis alkohol-vatten

5 Beräkning av p för starka syror 1. Avgör vilka joner & molekyler som finns i lösningen. Om det finns flera sura ämnen: kontrollera att den syra du tror är stark faktiskt är den starkaste syran. 3. Skriv upp reaktionsformeln för protolysen av den starka syran och kontrollera molförhållandet mellan syra och 4. Beräkna [] och p Beräkning av p för svaga syror 1. Avgör vilka joner & molekyler som finns i lösningen. Skriv upp reaktionsformeln för syraprotolysen 3. Ställ upp jämviktsekvationen 4. Beräkna [] på samma sätt som för andra jämvikter (svaga syror har p -7) Beräkning av p för starka syror Eempel: Vilket p har en 1,0 M vattenlösning av Cl? Komponenter i lösning: Cl,, O OBS! Bortse från vattnets autoprotolys eftersom majoriteten av härrör från sönderdelning av Cl Reaktionsformel: Cl(aq) Cl (aq) (aq) Cl är en stark syra: 1 M Cl 1 M [] 1,0 M p 0 Beräkning av p för svaga syror Beräkna p på en 1,00 M ättiksyralösning (OAc). Ka för OAc 1, Lösning: 1. Viktigaste ämnen i lösning: OAc, O, OAc,. Bortse från vattnets autoprotolys då K w < K a (OAc) 3. Reaktionsformel: OAc (aq) (aq) OAc (aq) 4. Jämviktsuttryck: - [ ][OAc ] Ka 1,8 10 [OAc]

6 Beräkning av p för svaga syror 5. Skriv start-koncentrationer, förändringen i koncentrationerna för att jämvikt skall uppnås samt jämviktskoncentrationerna i en tabell: [OAc] [] [OAc-] Start: 1, Förändring: - Jämvikt: 1,00-6. Infoga jämviktskoncentrationerna i jämviktsuttrycket: - [ ][OAc ] K a 1,8 10 [OAc] (1,00 - ) 1,8 10 Beräkning av p för blandningar av svaga syror 1. Avgör vilka joner & molekyler som finns i lösningen. Avgör vilken syra som är starkast (jämför Kavärden) 3. Skriv upp reaktionsformeln för protolysen av den starkaste syran 4. Sätt upp jämviktsekvationen 5. Beräkna [] på samma sätt som för andra jämvikter Beräkning av p för svaga syror 7. Eftersom Ka är så litet bör vara litet. Inför approimationen 1,00-1,00 i jämviktsuttrycket, vilket ger: 1,8 10 (1,00) 1, Kontrollera approimation: (1,00-) 0,996, vilket skall jämföras med approimationen (1,00-) 1,00. Skillnaden är <1%, approimationen godtagbar 9. Vid jämvikt är [ ] 4, 10-3 M p,37 Se kursboken, avsitt Pröva Eample 15.8 själv 4, 10 3 Beräkning av p för blandningar av svaga syror Beräkna p på en vattenlösning som innehåller 1,0 M CN och 5,0 M NO (salpetersyrlighet). Lösning: Ka (CN) 6, 10-10, Ka (NO) 4, Viktigaste ämnen i lösning: CN, NO, O. Vilken syra är starkast? Ka (NO) > Ka (CN) > Kw räkna på NO! 3. Reaktionsformel: NO (aq) NO (aq) 4. Jämviktsuttryck: - [ ][NO ] Ka 4,0 10 [NO ] 4

7 Beräkning av p för blandningar av svaga syror Forts. 5. Beräkna [] på samma sätt som för andra jämvikter: Skriv start-koncentrationer, förändringen i koncentrationerna för att jämvikt skall uppnås samt jämviktskoncentrationerna i en tabell: [NO ] [ ] [NO - ] Start Förändring - Jämvikt 5,0- Infoga jämviktskoncentrationerna i jämviktsuttrycket: (5,0 - ) 4, Dissociationsgrad För syran A: A A - Dissociationsgrad Konc. dissocierat (mol/l) 100% Ursprungskoncentration (mol/l) För svaga syror ökar dissociationsgraden med ökad utspädning av syran E. 0,1 M OAc (ättiksyra) är mer dissocierad än 1,0 M OAc Beräkning av p för blandningar av svaga syror Forts. Eftersom K a är så litet, bör vara litet. Inför approimationen: 5,00-5,00 4,0 10 (5,00) 4,0 10 Detta värde på innebär att (5,00 - ) 4,96, vilket skall jämföras med approimationen där (5,00 - ) 5,00. Skillnaden är 0,9 %, approimationen godtagbar. Vid jämvikt: [ ] 4, M p 1,35 3 4,5 10 p log ([ ]) Beräkning av dissociationsgrad Beräkna dissociationsgraden hos 0,1 M OAc. Ka (OAc) 1, Lösning: Viktigaste species i lösning: OAc, O Ka (OAc) > Kw Räkna på OAc! Reaktionsformel: OAc (aq) OAc (aq) Jämviktsuttryck: - [ ][OAc ] Ka 1,8 10 [OAc]

8 Beräkning av dissociationsgrad Skriv: 1) Start-koncentrationer; ) Förändringen i koncentrationerna för att jämvikt skall uppnås samt 3) Jämviktskoncentrationerna i en tabell: [OAc] [] [OAc ] Start Förändring - Jämvikt 0,1- Infoga jämviktskoncentrationerna i jämviktsuttrycket: 1,8 10 (0,1- ) Beräkning av Ka från dissociationsgrad Mjölksyra C 3 C (O)COO, är en monoprotisk syra. Dissociationsgraden i 0,100 M mjölksyralösning är 3,7 %. Beräkna Ka för mjölksyra. (Mjölksyrans anjon: acetat, OAc ). Lösning: 1. Viktigaste komponenter i lösning: Mjölksyra, O. Mjölksyra är en svag syra, men (anta) den är starkare än vatten! 3. Reaktionsformel: Mjölksyra (aq) (aq) OAc (aq) 4. Jämviktsuttryck: K a - [ ][Ac ] [Laktat] Beräkning av dissociationsgrad Forts. Då Ka är litet bör även vara litet. Inför approimationen 1,8 10 (0,1) 0,1-0,1 1,8 10 Kontrollera approimationen: (0,1-) 0,099, vilket skall jämföras med approimationen där (0,1-) 0,1. Skillnaden (0,1 0,099) är 1%, approimationen godtagbar. 6 1, X 1, M [OAc ] 1, M vid jämvikt Dissociationsgrad (1, M / 0,10 M) 100% 1,3% Konc. dissocierat (mol/l) Dissociationsgrad 100% Ursprungskoncentration (mol/l) Beräkning av Ka från dissociationsgrad 5. Skriv startkoncentrationer, förändringen i koncentrationerna för att jämvikt skall uppnås samt jämviktskoncentrationerna i en tabell: [mjölksyra] [ ] [OAc ] Start 0, Förändring -(3,7% 0,100) (3,7% 0,100) (3,7% 0,100) M Jämvikt 0,0963 M 3,7 mm 3,7 mm 6. Infoga jämviktskoncentrationerna i jämviktsuttrycket: 3 3 ( 3,7 10 ) ( 3,7 10 ) 3 Ka 1,4 10 0,0963

9 Basstyrka En stark bas dissocierar fullständigt i vatten: NaO O (aq) Na (aq) Arrhenius-bas Brønsteds-bas Baskonstanten, Kb B(aq) O(l) B (aq) O (aq) [ O] konstanti utspädd vattenlösning Dess korresponderande syra är en svag syra Eempel: LiO, NaO, KO, RbO, CsO (Alkalimetallernas hydroidsalt) Ca(O), Ba(O), Sr(O), (Mg(O) svårlöst i vatten) [B ][O ] [B][ O] K [B ][O ] K[ O] [B] K b Basstyrka, svaga baser En svag bas genererar O- genom reaktion med vatten Reaktionen är starkt förskjuten mot reaktantsidan N 3 (aq) O(l) N 4 (aq) O (aq) Dess korresponderande syra är en stark syra Eempel på svaga baser: N 3 och aminer: RN, R N, R 3 N Svaga baser har p 7 1 Beräkning av p för svaga baser Beräkna p på en 5,00 M lösning av metylamin C 3 N. K b för C 3 N : 4, (Jmf. eample 15.10, kap. 15.) Lösning: 1. Viktigaste species i lösning: C 3 N, O. Man kan bortse från vattnets autoprotolys eftersom Kw < K b (C 3 N ) 3. Reaktionsformel: C 3 N (aq) O(l) C 3 N 3 (aq) O (aq) - 4. Jämviktsuttryck: [C3N3 ][O ] 4 K b 4,38 10 [C N ] 3

10 Beräkning av p för svaga baser Forts. 5. Ställ upp tabell. a) Initiala koncentrationer; b) Förändringen i koncentrationerna för att jämvikt skall uppnås samt c) Jämviktskoncentrationerna. [C 3 N ] [C 3 N 3 ] [O ] a) Initialt 5, b) Förändring - c) Jämvikt 5,00- Försummas Aromatiska monoaminer CNS-signalsubstanser C 3 C 3 C 3 N N N N N 3 C C C C O C C C C C C C O O O O 3 CO OC 3 O O O OC 3 6. Infoga jämviktskoncentrationerna i jämviktsuttrycket: (5,00 - ) 4, Efedrin Dopamin Adrenalin Noradrenalin Meskalin Beräkning av p för svaga baser Forts. 7. Eftersom Kb är så litet bör vara litet. Inför approimationen 4,38 10 (5,00) 5,00-5, Är approimationen godtagbar? Test: (5,00-) 4,95, vilket skall jämföras med approimationen där (5,00-) 5,00. Skillnaden är 1%, approimationen godtagbar! 9. Vid jämvikt är [O ] 4, M po 1,33 p pkw po; p 14,00 1,33 1,7 OBS Eample 15.10, ,7 10 K Sambandet K a och K b för en syra och dess konjugerade bas Ättiksyra: OAc (aq) (aq) OAc (aq) - [ ][OAc ] K a 1,8 10 [OAc] Acetat: OAc (aq) O (aq) OAc (aq) O (aq) [O ][OAc] K 5,6 10 b [OAc ] [ O] [O ][OAc] [ ][OAc ] b Ka 5,6 10 1,8 10 1,0 10 [OAc ] [O] [OAc]

11 Sambandet K a och K b för en syra och dess konjugerade bas För en syra och dess konjugerade bas K a K b K W (pk a pk b 14) Syra-bas-egenskaper hos salter Salter som ger neutrala lösningar: NaCl, KCl, NaNO 3, KNO 3 Anjoner som är korresponderande baser till starka syror: Cl, NO 3 Katjoner som saknar syra-basegenskaper: Na, K, (ffa. Alkalimetaller och andra envärda metalljoner, katjoner till starka baser) Salter som ger basiska lösningar: NaOAc, NaF, NaCN mfl. (katjon från stark bas och anjoner från svaga syror) Polyprotiska (flervärda) syror Svavelväte ( S), vätekarbonat ( CO 3 ), oalsyra C O (O), fosforsyra ( 3 PO 4 ), svavelsyra ( SO 4 ) har flera Ka: 3 PO 4 (aq) PO 4 (aq); K a1 (7, ) PO 4 (aq) PO 4 (aq); K a (6, ) PO 4 (aq) PO 4 3 (aq); K a3 (3, ) För typiska polyprotiska syror är K a1 > K a > K a3 Oftast behöver man endast ta hänsyn till K a1 vid beräkning av p För SO 4 (aq) med konc < 1,0 M måste man ta hänsyn till K a för SO 4 Syra-bas-egenskaper hos salter Salter som ger sura lösningar: N 4 Cl m. fl. Anjoner som är korresponderande baser till starka syror: Cl, NO 3 (i sig ingen p-effekt) Katjoner som är korresponderande baser till svaga syror: N 4 Salter som innehåller metalljoner med hög laddning, e. Al 3, Fe 3 (den laddade metalljonen polariserar O-bindningarna): Al( O) 6 3 (aq) Al(O)( O) 5 (aq)

12 Oiders syra-bas-egenskaper Kovalenta oider sura oider: SO 3 O SO 4 (aq) CO O CO 3 (aq) NO O NO 3 (aq) NO (aq) Joniska oider basiska oider: CaO O Ca(O) (aq) K O O KO(aq) Syra-bas-egenskaper hos salter OBS! För beräkning av p i lösningar av hydratiserade metallsalter: tillämpa samma strategi som för svaga syror (slå upp Ka sedan är det samma sak). Gör eempel 15.13! Se Table 15.7 Sambandet mellan struktur & syrabas-egenskaper Alla molekyler som innehåller kan fungera som syra Organiska kolväten (med C--bindningar) är vanligtvis inte sura uruvida en förening med Y--bindning är sur beror på styrkan & polariteten i Y--bindningen

13 Bindningsstyrka & syrastyrka Oy-syror: elektronegativitet och syrastyrka Syrastyrka Y-O- Y-O Syrastyrka I-O- < Br-O- < Cl-O- Bindningsstyrka (kj/mol) Lägre bindningsstyrka högre syrastyrka Elektronegativitet hos Y ög elektronegativitet hos Y stabilare anjon högre syrastyrka Polaritet & syrastyrka Lewisdefinitionen av syror & baser Lewissyra : elektronpars-acceptor Syrastyrka Lewisbas : elektronpars-donor Cl O O Cl Lewissyra Lewisbas Cl Cl Cl Al N Cl Al N Polaritet Cl Cl Lewissyra Lewisbas

14 Övningsuppgifter, kap 15 (Chang, 11th ed. sid 711) 1,,,3, 4, 5, 6, 8, 11, 13, 16, 17, 18, 0, 1, 5, 6, 31, 3, 36, 38, 4, 43, 44, 45, 48, 53, 55, 56, 6, 64, 78, 8, 85 Börja med understrukna uppgifter