Kapitel 14. Syror och baser

Transkript

1 Kapitel 14 Syror och baser

2 Kapitel 14 Innehåll 14.1 Syror och baser 14.2 Syrastyrka 14.3 ph-skalan 14.4 Beräkna ph för en stark syra 14.5 Beräkna ph för en svag syra 14.6 Baser 14.7 Flerprotoniga syror 14.8 Syra-basegenskaper hos salter 14.9 Molekylstrukturens inverkan på syra-basegenskaper Syra-basegenskaper hos oxider Lewis-syror och baser: ett vidgat syra-basbegrepp En övergripande strategi för att lösa syrabasproblem Copyright Cengage Learning. All rights reserved 2

3 Avsnitt 14.1 Syror och baser Syra-basbegrepp Arrhenius: Syror producerar H 3 O + -joner i lösningar, baser producerar OH -joner. Brønsted-Lowry: Syror är protondonatorer, baser är protonacceptorer. HCl + H 2 O Cl + H 3 O + syra bas Copyright Cengage Learning. All rights reserved 3

4 Avsnitt 14.1 Syror och baser Syra i vatten HA(aq) + H 2 O(l) H 3 O + (aq) + A - (aq) syra bas konjugerad konjugerad syra bas En konjugerad bas är vad som återstår av syramolekylen efter att protonen förloras. En konjugerad syra bildas då en proton överförs till basen. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 4

5 Avsnitt 14.1 Syror och baser Syrakonstanten (K a ) HA(aq) + H 2 O(l) H 3 O + (aq) + A (aq) HO A = = HA K a H A HA Copyright Cengage Learning. All rights reserved 5

6 Avsnitt 14.2 Atomic Syrastyrka Masses Starka och svaga syror Starka syror: Syrajämvikten är starkt förskjuten åt höger. Producerar en mycket svag konjugerad bas. Svag syra: Syrajämvikten är förskjuten åt vänster. Ju svagare syra desto starkare konjugerad bas. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 6

7 Avsnitt 14.2 Atomic Syrastyrka Masses Stark syra Dess jämvikt är kraftigt förskjuten åt höger. HNO 3 (aq) H + (aq) + NO 3 (aq) Åtföljs av en svag konjugerad bas. (NO 3 ) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 7

8 Avsnitt 14.2 Atomic Syrastyrka Masses Svag syra Jämvikten är förskjuten åt vänster. CH 3 COOH(aq) H + (aq) + CH 3 COO (aq) Åtföljs av en starkare bas än vatten: CH 3 COO (aq) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 8

9 Avsnitt 14.2 Atomic Syrastyrka Masses Grafisk representation av olika syrors styrka

10 Avsnitt 14.2 Atomic Syrastyrka Masses Svag syra svag elektrolyt innehåller få joner, bara delvis dissocierad. leder dåligt elektrisk ström

11 Avsnitt 14.2 Atomic Syrastyrka Masses Relativ syrastyrka

12 Avsnitt 14.2 Atomic Syrastyrka Masses Värdet på K a Copyright Cengage Learning. All rights reserved 12

13 Avsnitt 14.2 Atomic Syrastyrka Masses Svaga syror Copyright Cengage Learning. All rights reserved 13

14 Avsnitt 14.2 Atomic Syrastyrka Masses Övning Ordna följande species enligt stigande styrka som konjugerad bas. F -, Cl -, NO 2-, CN - Copyright Cengage Learning. All rights reserved 14

15 Avsnitt 14.2 Atomic Syrastyrka Masses Konceptkoll HA(aq) + H 2 O(l) H 3 O + (aq) + A - (aq) syra bas konjugerad konjugerad syra bas Hur skrivs jämviktsuttrycket för syrareaktionen ovan? K = HO A + 3 HA [ ] Copyright Cengage Learning. All rights reserved 15

16 Avsnitt 14.3 The ph-skalan Mole Begrepp på ph skalan ph = 7; neutral ph > 7; basisk Ju högre ph desto mer basisk. ph < 7; sur Ju lägre ph desto surare. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 16

17 Avsnitt 14.3 The ph-skalan Mole Vattnets autoprotolys Vatten är en amfotär förening (den kan fungera både som en syra och en bas). H 2 O + H 2 O H 3 O + + OH syra 1 bas 2 syra 2 bas 1 K w = [H 3 O + ] [OH ] = vid 25 C Copyright Cengage Learning. All rights reserved 17

18 Avsnitt 14.3 The ph-skalan Mole Vattnets autoprotolys Copyright Cengage Learning. All rights reserved 18

19 Avsnitt 14.3 The ph-skalan Mole Vad är ph? ph log[h + ] ph i vatten antar värden typiskt mellan 0 och 14. K w = = [H + ] [OH ] pk w = = ph + poh Då ph stiger, sjunker poh (summan = 14.00). I neutralt vatten (ph = 7) är [H + ] = [OH ] = Copyright Cengage Learning. All rights reserved 19

20 Avsnitt 14.3 The ph-skalan Mole ph för några vattenlösningar

21 Avsnitt 14.3 The ph-skalan Mole Övning Beräkna ph för följande koncentrationer av H + och OH. a) M H + ph = 4.00 b) M OH ph = Copyright Cengage Learning. All rights reserved 21

22 Avsnitt 14.3 The ph-skalan Mole Övning En lösnings ph-värde uppmäts till Vad är [H + ] i lösningen? [H + ] = M Copyright Cengage Learning. All rights reserved 22

23 Avsnitt 14.4 Beräkna ph för en stark syra Viktiga steg vid syra-basberäkningar Vilka ämnen finns i lösningen? Vilka är de viktigaste reaktionerna som sker? Är det en jämviktsreaktion (med dubbelpil) eller en reaktion som sker fullt ut (enkelpil)? Låt alla reaktioner utom jämvikterna reagera fullt ut och lös därefter jämviktssystemet. Beräkna ph om det är det som det frågas efter. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 23

24 Avsnitt 14.4 Beräkna ph för en stark syra Konceptkoll En vattenlösning innehåller 2.0 x 10 3 M HCl. Vilka molekyler och joner finns i lösningen? H +, Cl, H 2 O Beräkna ph ph = 2.70 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 24

25 Avsnitt 14.4 Beräkna ph för en stark syra Konceptkoll Beräkna ph hos en 1.5 x M vattenlösning av HCl. ph = 7.00 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 25

26 Avsnitt 14.5 Beräkna ph för en svag syra Lösningsprocedur 1. Lista upp de viktigaste molekylerna och jonerna i lösningen 2. Notera vilka ämnena som kan producera H + (eller OH ) och skriv ner reaktionslikheterna. 3. Avgör på basen av Ka den dominerande H + donatorn vid jämvikt. 4. Skriv upp jämviktsuttrycket för den dominerande jämviketen. 5. Lista utgångskoncentrationerna i den dominerande jämvikten. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 26

27 Avsnitt 14.5 Beräkna ph för en svag syra Lösningsprocedur (forts) 6. Avgör förändringen från utgångssituationen till jämvikt (som x ). 7. Teckna jämviktskoncentrationerna som funktionav förändringen (x). 8. För in jämviktskoncentrationerna i jämviktsuttrycket. 9. Bestäm x ur andragradsekvationen (alt. bestäm x den enkla vägen och verifiera lösningen m.h.a. 5% regeln). 10.Beräkna [H+] och ph ur jämviktsdefinitionen Copyright Cengage Learning. All rights reserved 27

28 Avsnitt 14.5 Beräkna ph för en svag syra Konceptkoll Beakta en 0.80 M vattenlösning av den svaga syran HCN (K a = 6.2 x ). Vilka är de dominerande molekylerna/jonerna i lösningen? HCN, H 2 O Copyright Cengage Learning. All rights reserved 28

29 Avsnitt 14.5 Beräkna ph för en svag syra Låt oss tänka på saken Varför är inte H + eller CN dominerande? Copyright Cengage Learning. All rights reserved 29

30 Avsnitt 14.5 Beräkna ph för en svag syra Beakta följande HCN(aq) + H 2 O(l) H 3 O + (aq) + CN (aq) K a = 6.2 x H 2 O(l) + H 2 O(l) H 3 O + (aq) + OH (aq) K w = 1.0 x Vilken jämvikt dominerar ph? Förklara. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 30

31 Avsnitt 14.5 Beräkna ph för en svag syra Övning Beräkna ph för en M vattenlösning av HOCl(aq) (vätehypoklorit/underklorsyrlighet) K a = 3.5 x 10-8 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 31

32 Avsnitt 14.5 Beräkna ph för en svag syra Dissociationsgrad % dissociation mängd dissocierad (M) = 100% initial koncentration (M) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 32

33 Avsnitt 14.5 Beräkna ph för en svag syra Utspädning, dissociationsgrad och [H+] Copyright Cengage Learning. All rights reserved 33

34 Avsnitt 14.5 Beräkna ph för en svag syra Övning Beräkna dissociationsprocenten för ättikssyra i de nedanstående lösningarna: 1.00 M CH 3 COOH 0.10 M CH 3 COOH Copyright Cengage Learning. All rights reserved 34

35 Avsnitt 14.6 Baser Definitioner Arrhenius: baser genererar OH joner i lösning. Brønsted Lowry: baser är protontagare. I en basisk lösning vid 25 C är ph > 7. Jonföreningar som innehåller OH kan generellt betraktas som starka baser. LiOH, NaOH, KOH, Ca(OH) 2 poh = log[oh ] ph = poh Copyright Cengage Learning. All rights reserved 35

36 Avsnitt 14.6 Baser Basstyrka Termerna stark och svag används analogt för baser och syror Stark bas = fullständigt dissocierad molekyl NaOH(aq) Na + (aq) + OH (aq) Svag bas = jämvikten förskjuten åt vänster CH 3 NH 2 (aq) + H 2 O(l) H 3 CNH 3+ (aq) + OH (aq) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 36

37 Avsnitt 14.6 Baser Övning Beräkna ph för en 5.0 x 10-2 M NaOHlösning. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 37

38 Avsnitt 14.6 Baser Baskonstanten (K b ) B(aq) + H 2 O(l) BH + (aq) + OH (aq) + BH OH K b = B Copyright Cengage Learning. All rights reserved 38

39 Avsnitt 14.6 Baser Svaga baser Copyright Cengage Learning. All rights reserved 39

40 Avsnitt 14.6 Baser Övning Beräkna poh och ph för en 1.00 M vattenlösning av metylamin (CH 3 NH 2 ). K b = 4.38 x 10-4 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 40

41 Avsnitt 14.7 Flerprotoniga syror Syror med fler än ett surt väte Kan donera fler än en proton per syramolekyl. Dissocierar alltid stegvis, en proton i taget. Den konjugerade basen från det första steget blir syran i det andra steget. För en svag flerprotonig syra gäller: K a1 > K a2 > K a3 För de flesta flerprotoniga syror i vattenlösning är det endast det första dissociationssteget som bestämmer ph i lösningen. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 41

42 Avsnitt 14.7 Flerprotoniga syror Syror med fler än ett surt väte... kan avge flera H + per molekyl a HCO H + HCO ( K ) a HCO H + CO ( K ) 1 2 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 42

43 Avsnitt 14.7 Flerprotoniga syror Övning Beräkna ph för 1.00 M vattenlösning av H 3 PO 4. K a1 = 7.5 x 10-3 K a2 = 6.2 x 10-8 K a3 = 4.8 x ph = 1.08 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 43

44 Avsnitt 14.7 Flerprotoniga syror Konceptkoll Beräkna jämviktskoncentrationen av PO 3-4 i en 1.00 M vattenlösning av H 3 PO 4. K a1 = 7.5 x 10-3 K a2 = 6.2 x 10-8 K a3 = 4.8 x [PO 4 3- ] = 3.6 x M Copyright Cengage Learning. All rights reserved 44

45 Avsnitt 14.8 Syra-basegenskaper hos salter Salter Är jonföreningar. Dissocierar till joner då de löses upp i vatten. jonerna kan sedan ha syra-basegenskaper. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 45

46 Avsnitt 14.8 Syra-basegenskaper hos salter ph kan ändras då ett salt löses i vatten 1. NH 4 Cl(s) NH 4+ (aq) + Cl (aq) 2. NH 4+ (aq) + H 2 O(l) NH 3 (aq) + H 3 O + (aq) ph = -log[h 3 O + ] Copyright Cengage Learning. All rights reserved 46

47 Avsnitt 14.8 Syra-basegenskaper hos salter Neutrala saltlösningar Saltet av en stark syra och en stark bas ger neutral lösning. KCl, NaNO 3 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 47

48 Avsnitt 14.8 Syra-basegenskaper hos salter Basiska saltlösningar Uppstår om anjonen i ett salt är en konjugerad bas till en svag syra. NaF, KC 2 H 3 O 2 K w = K a K b använd K b då ph ska beräknas. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 48

49 Avsnitt 14.8 Syra-basegenskaper hos salter Sura saltlösningar Uppstår om katjonen i ett salt är en konjugerad syra till en svag bas. NH 4 Cl K w = K a K b Använd K a för beräkning av ph. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 49

50 Avsnitt 14.8 Syra-basegenskaper hos salter Salters inverkan på ph Katjon Anjon ph Exempel neutral neutral neutral NaCl neutral konj syra av svag bas konj syra av svag bas konj bas till basisk NaF svag syra neutral sur NH 4 Cl konj bas av svag syra beror av K a & K b värdena Al 2 (SO 4 ) 3 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 50

51 Avsnitt 14.8 Syra-basegenskaper hos salter Bestämning av ph i saltlösningar av svaga föräldrar Copyright Cengage Learning. All rights reserved 51

52 Avsnitt 14.8 Syra-basegenskaper hos salter Övning Beräkna ph för 0.30 M NaF(aq) (för HF är K a = ) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 52

53 Avsnitt 14.8 Syra-basegenskaper hos salter Konceptkoll Arrangera följande 1.0 M lösningar från lägst till högst ph. HBr NaOH NH 4 Cl NaCN NH 3 HCN NaCl HF HBr, HF, HCN, NH 4 Cl, NaCl, NaCN, NH 3, NaOH Copyright Cengage Learning. All rights reserved 53

54 Avsnitt 14.9 Molekylstrukurens effekt på syra-basegenskaperna Observationer Två faktorer styr syrastyrkan hos binära föreningar: Jonkaraktären (hög ger stark syra) Bindningsenergin (låg ger stark syra) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 54

55 Avsnitt 14.9 Molekylstrukurens effekt på syra-basegenskaperna Bindnings- och syrastyrka för vätehalider Copyright Cengage Learning. All rights reserved 55

56 Avsnitt 14.9 Molekylstrukurens effekt på syra-basegenskaperna Syror som innehåller syre: Oxosyror Innehåller den funktionella gruppen H O X. Syrastyrkan ökar med antalet syreatomer som är bundna med centralatomen. Ju större elektronegativitet hos X desto större förmåga att dra elektroner från syret och ju högre syrastyrka hos molekylen. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 56

57 Avsnitt 14.9 Molekylstrukurens effekt på syra-basegenskaperna Några oxosyror och deras K a -värden Copyright Cengage Learning. All rights reserved 57

58 Avsnitt 14.9 Molekylstrukurens effekt på syra-basegenskaperna Elektronegativiteten hos X och K a -värdet för molekylen Copyright Cengage Learning. All rights reserved 58

59 Avsnitt Syra-basegenskaper hos oxider Sura oxider Oxider av icke-metaller O-X bindningen är stark och kovalent. SO 2, NO 2, CO 2 Då en H-O-X grupp löses i vatten kommer O-X bindningen förbli. Det är den relativt svaga H-O bindningen som bryts varpå det frigörs en proton. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 59

60 Avsnitt Syra-basegenskaper hos oxider Basiska oxider Oxider av metaller: O-X bindningen har jonkaraktär. K 2 O, CaO Om X har låg elektronegativitet bryts O-X bindningen i vattenlösningen varpå syreatomen reagerar med vattenmolekylerna och generar en basisk lösning. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 60

61 Avsnitt Lewis-syror och baser: ett vidgat syra-basbegrepp Lewis syrabasbegrepp Lewissyra: elektronparmottagare Lewisbas: elektronpardonator H Al O H Lewissyra Lewisbas Al O H H 6 3+ Copyright Cengage Learning. All rights reserved 61

62 Avsnitt Lewis-syror och baser: ett vidgat syra-basbegrepp Tre parallella modeller för syrabasbegreppet Copyright Cengage Learning. All rights reserved 62