Kapitel 14 Syror och baser 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 14.6 14.7 Flerprotoniga syror 14.8 14.9 Molekylstrukturens inverkan på syra-basegenskaper 14.10 Syra-basegenskaper hos oxider 14.11 Lewis-syror och baser: ett vidgat syra-basbegrepp 14.12 En övergripande strategi för att lösa syrabasproblem Copyright Cengage Learning. All rights reserved 2 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 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 3 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 4 Avsnitt 14.1 Syror och baser Syrakonstanten (K a ) HA(aq) + H 2 O(l) H 3 O + (aq) + A (aq) HO A H A = = HA HA K a 3 + + 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 5 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 6 1
Stark syra Dess jämvikt är kraftigt förskjuten åt höger. Svag syra Jämvikten är förskjuten åt vänster. HNO 3 (aq) H + (aq) + NO 3 (aq) Åtföljs av en svag konjugerad bas. (NO 3 ) 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 7 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 8 Grafisk representation av olika syrors styrka Svag syra svag elektrolyt innehåller få joner, bara delvis dissocierad. leder dåligt elektrisk ström Relativ syrastyrka Värdet på K a Copyright Cengage Learning. All rights reserved 12 2
Svaga syror Ordna följande species enligt stigande styrka som konjugerad bas. F -, Cl -, NO 2-, CN - Copyright Cengage Learning. All rights reserved 13 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 14 HA(aq) + H 2 O(l) H 3 O + (aq) + A - (aq) syra bas konjugerad konjugerad syra bas Hur skrivs jämviktsuttrycket för syrareaktionen ovan? Begrepp på ph skalan ph = 7; neutral ph > 7; basisk Ju högre ph desto mer basisk. ph < 7; sur Ju lägre ph desto surare. K = HO A + 3 [ HA] Copyright Cengage Learning. All rights reserved 15 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 16 Vattnets autoprotolys Vatten är en amfotär förening (den kan fungera både som en syra och en bas). Vattnets autoprotolys H 2 O + H 2 O H 3 O + + OH syra 1 bas 2 syra 2 bas 1 K w = [H 3 O + ] [OH ] = 1 10 14 vid 25 C Copyright Cengage Learning. All rights reserved 17 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 18 3
Vad är ph? ph för några vattenlösningar ph log[h + ] ph i vatten antar värden typiskt mellan 0 och 14. K w = 1.00 10 14 = [H + ] [OH ] pk w = 14.00 = ph + poh Då ph stiger, sjunker poh (summan = 14.00). I neutralt vatten (ph = 7) är [H + ] = [OH ] = 1.00 10 7 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 19 Beräkna ph för följande koncentrationer av H + och OH. En lösnings ph-värde uppmäts till 5.85. Vad är [H + ] i lösningen? a) 1.0 10 4 M H + [H + ] = 1.4 10 6 M ph = 4.00 b) 0.040 M OH ph = 12.60 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 21 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 22 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. Avsnitt 14.4 Beräkna ph för en stark syra 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 23 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 24 4
Avsnitt 14.4 Beräkna ph för en stark syra Beräkna ph hos en 1.5 x 10 11 M vattenlösning av HCl. ph = 7.00 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 25 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 26 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 Beakta en 0.80 M vattenlösning av den svaga syran HCN (K a = 6.2 x 10 10 ). Vilka är de dominerande molekylerna/jonerna i lösningen? HCN, H 2 O Copyright Cengage Learning. All rights reserved 27 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 28 Låt oss tänka på saken Varför är inte H + eller CN dominerande? Beakta följande HCN(aq) + H 2 O(l) H 3 O + (aq) + CN (aq) K a = 6.2 x 10-10 H 2 O(l) + H 2 O(l) H 3 O + (aq) + OH (aq) K w = 1.0 x 10-14 Vilken jämvikt dominerar ph? Förklara. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 29 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 30 5
Dissociationsgrad Beräkna ph för en 0.100 M vattenlösning av HOCl(aq) (vätehypoklorit/underklorsyrlighet) mängd dissocierad (M) % dissociation = 100% initial koncentration (M) K a = 3.5 x 10-8 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 31 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 32 Utspädning, dissociationsgrad och [H+] 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 33 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 34 Avsnitt 14.6 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 = 14.00 poh Avsnitt 14.6 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 35 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 36 6
Avsnitt 14.6 Avsnitt 14.6 Baskonstanten (K b ) B(aq) + H 2 O(l) BH + (aq) + OH (aq) Beräkna ph för en 5.0 x 10-2 M NaOHlösning. + BH OH K b = B Copyright Cengage Learning. All rights reserved 37 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 38 Avsnitt 14.6 Svaga baser Avsnitt 14.6 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 39 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 40 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. Avsnitt 14.7 Flerprotoniga syror Syror med fler än ett surt väte... kan avge flera H + per molekyl. + 2 3 3 a1 HCO H + HCO ( K ) + 3 3 2 a2 HCO H + CO ( K ) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 41 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 42 7
Avsnitt 14.7 Flerprotoniga syror Avsnitt 14.7 Flerprotoniga syror 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 10-13 ph = 1.08 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 10-13 [PO 4 3- ] = 3.6 x 10-19 M Copyright Cengage Learning. All rights reserved 43 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 44 Salter Är jonföreningar. Dissocierar till joner då de löses upp i vatten. jonerna kan sedan ha syra-basegenskaper. 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 45 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 46 Neutrala saltlösningar Saltet av en stark syra och en stark bas ger neutral lösning. KCl, NaNO 3 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 47 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 48 8
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. Salters inverkan på ph Katjon Anjon ph Exempel neutral neutral neutral NaCl neutral konj bas till basisk NaF svag syra konj syra av neutral sur NH 4Cl svag bas konj syra av svag bas konj bas av svag syra beror av K a & K b värdena Al 2(SO 4) 3 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 49 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 50 Bestämning av ph i saltlösningar av svaga föräldrar Beräkna ph för 0.30 M NaF(aq) (för HF är K a = 7.2 10-4 ) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 51 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 52 Arrangera följande 1.0 M lösningar från lägst till högst ph. HBr NaOH NH 4 Cl NaCN NH 3 HCN NaCl HF 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) HBr, HF, HCN, NH 4 Cl, NaCl, NaCN, NH 3, NaOH Copyright Cengage Learning. All rights reserved 53 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 54 9
Avsnitt 14.9 Molekylstrukurens effekt på syra-basegenskaperna Bindnings- och syrastyrka för vätehalider 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 55 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 56 Avsnitt 14.9 Molekylstrukurens effekt på syra-basegenskaperna Några oxosyror och deras K a -värden Avsnitt 14.9 Molekylstrukurens effekt på syra-basegenskaperna Elektronegativiteten hos X och K a -värdet för molekylen Copyright Cengage Learning. All rights reserved 57 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 58 Avsnitt 14.10 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. Avsnitt 14.10 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 59 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 60 10
Avsnitt 14.11 Lewis-syror och baser: ett vidgat syra-basbegrepp Lewis syrabasbegrepp Lewissyra: elektronparmottagare Lewisbas: elektronpardonator Avsnitt 14.11 Lewis-syror och baser: ett vidgat syra-basbegrepp Tre parallella modeller för syrabasbegreppet H Al 3+ + 6 O H Lewissyra Lewisbas Al H O H 6 3+ Copyright Cengage Learning. All rights reserved 61 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 62 11