KEMI 5 Saana Ruotsala saana.ruotsala@mattliden.fi Kursbok Kaila, Meriläinen et al.: Kemi 5 Reaktioner och jämvikt All kursinfo (t. ex. lektionsanteckningar, eventuella övningsprov...) finns på Matteus. Kursinnehåll 1. Kemisk jämvikt 2. Syra basjämvikt 3. Syror och baser som reaktionspar 4. Löslighetsjämvikt PROV: Till prov du får: 1 konceptpapper lösblad ev. millimeterpapper Till prov tar du med: MAOLs tabeller räknare pennor, linjal, sudd + MAOL!!! 19. 26.8. 27.8. 9.9. 10. 17.9. 21. 24.9. KURSBEDÖMNING: Kursprov: 8 uppgifter varav eleven löser max. 7 Tre av åtta uppgifter är från SE max. poäng: 42 gräns för godkänd: 12 Provvitsordet justeras upp eller ned till kursvitsord beroende på timaktivitet, laborationer och närvaro. Den tredje olovliga frånvaron sänker provvitsordet automatiskt med 1 steg och den femte med 2 steg. Den sjätte olovliga frånvaron leder automatiskt till obedömd kurs. Den nionde frånvaron, lovlig eller olovlig, leder automatiskt till obedömd kurs. T. ex: En elev får 28 av 42 på kursprov. Han har varit olovligt frånvarande 4 gånger, passiv på laborationer och har haft kursboken hemma flera gånger. Provvitsord: 7,67 1 6,67 Kursvitsord: 6 10 9 8 7 6 5 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 1
1. KEMISK JÄMVIKT 1.1 Homogen kemisk jämvikt Na (s) + ½ Cl 2 (g) NaCl (s) är en mycket exoterm reaktion, vilket betyder att för att reaktionen ska ske i den omvända, endoterma, riktningen behövs det tillföras mycket värme. 3 H 2 (g) + N 2 (g) 2 NH 3 (g) ΔH f = 411,12 kj ett homogent system (alla deltagande ämnen i samma fas) ΔH f = 46,1 kj är inte alltför exoterm och är därmed ett exempel på en reversibel, jämviktsreaktion. Vid kemisk jämvikt sker den fortskridande och den reversibla reaktionen samtidigt är reaktionernas hastigheter exakt lika stora förändras varken utgångsämnenas eller reaktionprodukternas koncentrationer råder en dynamisk jämviktstillstånd 1.2 Massverkans lag Massverkans lag är en matematisk modell för att kvantitativt kunna avbilda jämvikten hos en reaktion oberoende av de ursprungliga koncentrationerna. K = allmän reaktion: a A + b B c C + d D koncentrationerna vid jämvikt: [A] [B] [C] [D] uttrycket för jämviktskonstanten K: [produkter] koefficient [utgångsämnen] koefficient = [C] c [D] d [A] a [B] b c (mol/l) 1.2 0.8 0.4 t c (mol/l) 1.2 0.8 0.4 N 2 O 4 (g) 2 NO 2 (g) 2 NO 2 (g) N 2 O 4 (g) färglös brun brun färglös sammansättningen hos en blandning vid jämvikt beror på reaktionen de urprungliga koncentrationerna trycket temperaturen t konstantvärde vid bestämd temperatur t.ex. uttrycker förhållandet mellan urprungsämnen & produkterna vid jämvikt uttrycker INTE hur snabbt jämvikt uppnås anknyter till en bestämd riktning 2 HI (g) 2 H 2 (g) + I 2 (g) K = 2 H 2 (g) + I 2 (g) 2 HI (g) K = oberoende av ursprungliga koncentrationer enheten varierar i enlighet med reaktionsformelns koefficienter 2
K är i stort sett ett mått på mängden produkter vid jämvikt i jämförelse med mängden utgångsämnen. Då K >> 1: jämviktsläget är kraftigt förskjutet mot produkterna reaktionen kan sägas ske fullständigt = fullständig konversion Zn (s) + Cu 2+ (aq) Zn 2+ (aq) + Cu (s) K 298 K = 1. 10 37 Då K << 1: jämviktsläget är kraftigt förskjutet mot utgångsämnena mycket litet produkter bildas Ex. 1: 0,12 mol vätejodid inneslöts i en 2,00 dm 3 kärl. Föreningen sönderdelades till vätgas och jodgas: 2 HI (g) H 2 (g) + I 2 (g) c 0 (mol/dm 3 ) Δc (mol/dm 3 ) c jämvikt (mol/dm 3 ) Vid jämvikt konstaterades med kemisk analys att 0,02 mol H 2 hade bildats. Beräkna jämviktkonstantens värde vid rådande reaktionsbetingelser. 2 HI (g) H 2 (g) + I 2 (g) CH 3 COOH (aq) CH 3 COO - (aq) + H + (aq) K 298 K = 1,8. 10-5 mol/dm 3 Då 10 3 < K < 10 3 : märkbara mängder utgångsämnen och produkter finns i jämviktsblandningen CH 3 COOH (l) + C 2 H 5 OH (l) CH 3 COOC 2 H 5 (l) + H 2 O (l) etansyra etanol etyletanoat vatten K 298 K = 4 H + Men K ger inte den fullständiga bilden av en reaktion! T.ex. aktiveringsenergin för en reaktion måste vara tillräckligt låg för att en reaktion ska ske vid rimliga temperatur och tryckförhållanden. ÄVEN om storleken på K är hög! 3
Ex. 2: Reaktionens N 2 O 4 (g) 2 NO 2 (g) jämviktskonstant vid en bestämd temperatur är 4,50 mol/dm 3. Om 0,300 mol N 2 O 4 satts in i en 2,00 dm 3 reaktionskärl i denna temperatur, vilka är jämviktskoncentrationerna för utgångsämnena och produkterna? c 0 (mol/dm 3 ) Δc (mol/dm 3 ) c jämvikt (mol/dm 3 ) N 2 O 4 (g) 2 NO 2 (g) Ex. 3: c 0 (mol/dm 3 ) Δc (mol/dm 3 ) c jämvikt (mol/dm 3 ) Reaktionens NO 2 (g) + NO (g) N 2 O (g) + O 2 (g) jämviktskonstant vid en bestämd temperatur är 0,914. Jämna mängder NO och NO 2 satts in i en 5,00 dm 3 reaktionskärl i denna temperatur tills jämviktskoncentrationen för N 2 O är 0,050 mol/dm 3. Beräkna hur många gram NO och NO 2 inneslöts i reaktionskärlet vid försökets början? NO 2 (g) + NO (g) N 2 O (g) + O 2 (g) 4
1.3 1.4 Faktorer som inverkar på jämvikten 1. Balanserad reaktionsformel 2. Ställ upp en tabell c 0 Δc c jämvikt a A b B c C d D kom ihåg att beräkna koncentration c = n / V! 3. Skriv in utgångskoncentrationerna. 4. Bestäm Δc utifrån reaktionsformelns koefficienter. 5. Skriv in de okända koncentrationerna. 6. Ställ upp uttrycket för jämviktskonstanten och lös ut det som uppgiften frågar efter. 7. Avgör om din lösning är möjlig! Varken K eller c jämvikt < 0! 8. Kontrollera resultatet. Le Châteliers princip: Ett system i jämvikt som blir störd av en yttre faktor, som förändringar i koncentration/tryck/ temperatur eller volym, försöker minimera störningen genom att motverka den, och därmed uppnå ett nytt jämviktstillstånd. Obs! Principen förklarar inte förändringen utan fungerar enbart som ett hjälpmedel för att kunna förutspå störningens inverkan! 1. Koncentrationsförändringar CH 3 COOH (l) + C 2 H 5 OH (l) H + CH 3 COOC 2 H 5 (l) + H 2 O (l) a) vatten avlägsnas koncentration av en produkt minskas Kom ihåg att: K = konstant " " = [produkter] [utgångsämnen] b) etanol tillsätts koncentration av ett utgångsämne höjs 5
2. Tryckförändringar a) färglös N 2 O 4 (g) brun 2 NO 2 (g) N 2 O 4 (g) 2 NO 2 (g) Volymen minskas = trycket höjs = koncentrationen höjs på BÅDA sidorna av reaktionsformeln Jämviktsläget förskjuts i den riktning som gör att den totala substansmängden gas minskar. Varför? 1) K = [NO 2 ] 2 [N 2 O 4 ] 2) V m 3. Temperaturförändringar Temperaturens inverkan på jämviktsläget beror på den endoterma/exoterma karaktären av reaktionen. Exoterm reaktion: värme kan anses som en produkt Endoterm reaktion: värme anses som en av utgångsämnena a) N 2 O 4 (g) 2 NO 2 (g) ΔH θ = 24 kj/mol temperaturen sänks = värme avlägsnas mer produkter produceras jämviktsläget förskjuts mot produkterna K höjs! b) H 2 (g) + CO 2 (g) H 2 O (g) + CO (g) ΔH θ = +41 kj/mol temperaturen sänks = värme avlägsnas b) H 2 (g) + I 2 (g) 2 HI (g) mer värme produceras av den reversibla reaktionen jämviktsläget förskjuts mot utgångsämnena K minskas! Kom ihåg! Då T ändras, K ändras! H 2 (g) + I 2 (g) Vad händer? 2 HI (g) 4. Katalysator Katalysatorn i en reaktion minskar aktiveringsenergin höjer reaktionshastigheten 6
2. SYRA BAS JÄMVIKT 2.1 Syror och baser NH 3 (aq) + H 2 O (l) NH 4 + (aq) + OH - (aq) svag bas svag syra stark korresponderande syra stark korresponderande bas Bronstedt Lowrys teori: En syra är ett ämne som avger en proton och en bas är ett ämne som tar emot en proton. HCl (aq) + H 2 O (l) H 3 O + (aq) + Cl - (aq) NH 3 (aq) + H 2 O (l) NH 4 + (aq) + OH - (aq) korresponderande syra HA + B BH + + A syra 1 bas 1 syra 2 bas 2 CH 3 COOH (aq) jämvikt korresponderande bas Ju starkare en syra är desto lättare avger den en proton. HCl (aq) H + (aq) + Cl - (aq) stark syra stark elektrolyt svag syra svag elektrolyt H + (aq) + CH 3 COO - (aq) Protonöverföringsreaktioner handlar egentligen om fria elektronpar: + H Cl : : : H + O H H : + : Cl: Därför kan inte alla ämnen som innehåller väte fungera som syror, för att endast en elektronegativ atom kan avge sin proton och därmed motta de elektroner som fanns i bindningen mellan väte och atomen. δ- δ+ δ+ δ- H Cl : : : Denna teori leder till basens definition. Vanliga baser innehåller ett fritt elektronpar, som kan sedan binda protonen genom en koordinat kovalentbindning. N H H H : + H + + H N H HH Som tumregel kan man säga att ju mer elektronegativ den atom som är bunden till väteatomen är, desto starkare är syran och svagare är basen. : : 7
Men så enkelt är det ändå inte. Även den korresponderande basens storlek har sin inverkan på en syras styrka. Cl H + H Cl + Starka och svaga syror och baser förening HA B stark svag H O H H + + O H Syresyror: H 2 SO 4 HNO 3 elektronegativiteten hos den centralatomen avgör styrkan H 3 PO 4 H 2 CO 3 Organiska syror och baser får sina syr basegenskaper från den funktionella gruppen. basisk neutral sur 8
2.2 Syra och baskonstanter Reaktionen mellan en syra och vatten: HA (aq) + H 2 O (l) H 3 O + (aq) + A (aq) Ex. 4: Vilken är oxoniumjonkoncentrationen av en 0,30 mol/dm 3 lösning salpetersyra? K = [H 3 O + ] [A - ] [HA] [H 2 O] Men då vatten är ett lösningsmedel i denna blandning, är dess koncentration (55 mol/dm 3 ) mycket högre än den av de andra substanserna. Därför anser man att koncentrationen är i praktiskt taget konstant (mellan ursprungs och jämviktsläget). Starka syror & baser: protolyseringsgrad = 100%! Ex. 5: Vilken är oxoniumjonkoncentrationen och protolyseringsgraden av en 0,10 mol/dm 3 lösning HIO 3? K a för syran i fråga är 1,7. 10 1 mol/dm 3. K a = syrakonstant [H 3 O + ] [A ] [HA] Syrakonstant = jämviktskonstant för reaktionen mellan syra & vatten! c 0 Δc HIO 3 (aq) + H 2 O (l) IO - 3 (aq) + H 3 O + (aq) Kom ihåg att storleken på K beskriver åt vilket håll jämvikten är föskjuten! starka syror: K a > 1 svaga syror: K a < 1 c jämvikt Reaktionen mellan en bas och vatten: B (aq) + H 2 O (l) [OH ] [BH + ] K b = [B] starka baser: K b > 1 svaga baser: K b < 1 baskonstant OH (aq) + BH + (aq) 9
Ex. 6: Vilken är oxoniumjonkoncentrationen och protolyseringsgraden av en 0,10 mol/dm 3 lösning ättiksyra? K a för syran i fråga är 1,8. 10 5 mol/dm 3. c 0 Δc c jämvikt CH 3 COOH (aq) + H 2 O (l) CH 3 COO - (aq) + H 3 O + (aq) Ekvationen kan nu förenklas för att K a << 1 därmed x << c 0 2.3 Surhet och ph Vatten kan ju agera både som syra och som bas. Dessa ämnen är amfolyter. Vattnets autoprotolys är ett suveränt exempel på denna egenskap: H 2 O (l) + H 2 O (l) K w = [H 3O + ] [OH - ] [H 2 O] [H 2 O] H 3 O + (aq) + OH (aq) = [H 3 O + ] [OH - ] = K a. K b = 1,008. 10-14 (mol/dm 3 ) 2 vid 298 K vattnets jonprodukt värdet ökar då temperaturen ökar varför? temperatur / o C Vattnets jonprodukt gäller för alla vattenlösningar av syror och baser. Detta betyder att en syratillsats höjer [H 3 O + ] och därmed minskar [OH ] för att K w ska hållas konstant. (Och tvärtom med en bastillsats.) Polyprotiska syror, som H 2 SO 4, H 2 CO 3 och H 3 PO 4, kan avge endast sin första proton fullständigt. Den andra (och tredje) protonöverföringsreaktionen måste då ha en egen jämviktskonstant. H 2 SO 4 (aq) + H 2 O (l) HSO 4 - (aq) + H 3 O + (aq) HSO 4 - (aq) + H 2 O (l) SO 4 2- (aq) + H 3 O + (aq) K a1 = 1,0. 10 3 K a2 = 1,2. 10-2 [H + ] = [OH ] = 1,008. 10 14 mol/dm 3 1,0. 10 7 mol/dm 3 för neutrala lösningar vid 25 o C. Lägg märke till det att om du vet [H 3 O + ] får du lätt reda på [OH ] med hjälp av K w! Det är allmänt kännedom att det neutrala vattnets ph är 7 i denna temperatur. Nu kan vi se den logaritmiska kopplingen: ph = lg [H 3 O + ] [H 3 O + ] = 10 ph mol/dm 3 10
Oxoniumjonkoncentration jämfört med den i destillerat vatten Exempel på lösningar samt deras phvärden Ex. 8: Fosforsyra, H 3 PO 4, är egentligen en diprotisk syra med K a1 = 1,0. 10 2 och K a2 = 2,6. 10 7. Beräkna ph värdet samt [H 2 PO 3 ] och [HPO 3 2 ] i en 1,0 mol/dm 3 lösning. En förändring med ett steg i ph betyder en tiofaldig förändring i oxoniumjonkoncentration. poh = lg [OH ] [OH ] = 10 poh mol/dm 3 ph + poh = 14 (25 o C) (varför?) Ex. 7: Vilket ph värde har en 0,25 mol/dm 3 lösning av hydratsin, N 2 H 4 (K b = 1,7. 10 6 mol/dm 3 )? N 2 H 4 (aq) + H 2 O (l) N 2 H 5 + (aq) OH - (aq) + c 0 Δc c jämvikt 11
2.4 ph tillämpningar elektrisk ledning till mätapparaten jämförelseelektrod KCl lösning inre elektrod, ph elektrod elektrodens ph känsliga spets (tunn glashinna, vars elledningsförmåga förändras som en funktion av ph) metylviolett tymolblått metylorange metylrött bromtymolblått fenolftalein alizaringult HIn (aq) + H 2 O (l) Ex. 9: En ph elektrod (glaselektrod) består av en ph känslig elektrod och en jämförelseelektrod. metylrött ph H 3 O + (aq) + In (aq) färg 1 färg 2 Färgen förändras då [HIn] [In ]. bromfenolblått Etylamin har pk b värdet 3,35. Skriv ekvationen för reaktionen mellan etylamin och vatten. Jämför alkaliniteten mellan etylamin och ammonia. 2.5 Joner som syror och som baser Kom ihåg: NH 3 (aq) + H 2 O (l) NH + 4 (aq) + OH - (aq) svag bas svag syra stark korresponderande syra stark korresponderande bas Detta betyder att en ammoniumjonlösning är sur: NH 4 + (aq) + H 2 O (l) NH 3 (aq) + H 3 O + (aq) CH 3 COOH (aq) + H 2 O (l) CH 3 COO - (aq) + H 3 O + (aq) svag syra svag bas svag bas stark korresponderande bas stark syra På motsvarande sätt är en acetatlösning är basisk: stark korresponderande syra CH 3 COO - (aq) + H 2 O (l) CH 3 COOH (aq) + OH - (aq) svag syra Korresponderande joner av starka syror och baser ger neutrala lösningar. Även metallkatjonerna i grupp 1 & 2 är neutrala. Aminosyror bildar en dubbeljon i syra bas reaktioner: stark bas pk a = lg K a pk b = lg K b pk a + pk b = 14 (25 o C) 0 7 14 12
Ex. 10: Beräkna ph värdet för en 0,20 mol/dm 3 NaCN lösning. Vad är [HCN] i denna lösning? 3. SYROR OCH BASER SOM REAKTIONSPAR 3.1 Neutralisation syra + bas salt + vatten H 3 O + (aq) + OH (aq) H 2 O (l) + H 2 O (l) K för denna reaktion har en mycket högt värde dvs. reaktionen sker praktiskt taget fullständigt. HNO 3 (aq) + NaHCO 3 (aq) varför? NaNO 3 (aq) + H 2 O (l) + CO 2 (g) H + (aq) + NO 3 - (aq) + Na + (aq) + HCO 3 - (aq) Na+ (aq) + NO 3 - (aq) + H 2 O (l) + CO 2 (g) Ex. 11: Hur många gram bakpulver behövs för att neutralisera 162 ml magsyra med ph värdet 1,6? 13
Ex. 12: Mjölksyra formas då mjölk försurnas. 18,5 ml av en mjölksyralösning behövde 17,25 ml 0,155 mol/dm 3 NaOH för komplett neutralisation. Hur många mol av mjölksyra fanns i den ursprungliga lösningen? Vad är lösningens ph efter reaktionen? 3.2 Buffertlösningar Vissa lösningar, som magsaft och blod, motverkar ph förändringar vid tillsättning av små mängder syra eller bas. Dessa lösningar kallas buffertlösningar. Buffertlösningar innehåller ungefär lika stora substansmängder av antingen en svag syra HA och dess korresponderande bas A eller en svag bas B och dess korresponderande syra HB +. ättiksyra acetatjon Ex. 13: Hur många gram av ammoniumklorid ska löses upp i 1,00 dm 3 0,100 mol/dm 3 ammoniaklösning för att producera en buffertlösning med ph 9,00? 14
Vid jämvikt i en sur buffertlösning K a = [H 3O + ][A ] [HA] lg [H 3 O + ] = lg K a [HA] [A ] [H 3 O + ] = K a [HA] [A ] lg [H 3 O + ] = lg [H 3 O + ] = lg K a + lg [A ] [HA] Henderson Hasselbalchs ekvation: ph = pk a + lg [A ] [HA] lg K a lg [HA] [A ] Ex. 14: Morfin, ett starkt smärtstillande (pk b 6,13) uppträdar i kroppen antingen i syraform H Mor + eller i basform Mor. Basformen är svårlöslig i vatten, vilket betyder att läkemedlet i denna form inte effektivt upptas av kroppen. Hur många procent basform finns det i den aktiva syraformen i tunntarmen där ph är ungefär 8? Ex. 15: Vilket syra bas par skulle du använda för att framställa en buffertlösning med ph 7,20? 15
3.3 Syra bastitreringar Frågor vid planering av en titrering: Vilken titrerlösning? Vilken indikator? HIn (aq) + H 2 O (l) Titrering är en metod för kvantitativ analys. Man kan bestämma n i en lösning genom att till lösningen tillsätta en noggrannt bestämd V av en titrerlösning med känd c. H 3 O + (aq) + In (aq) färg 1 färg 2 Stark syra stark bas ekvivalenspunkt V (ml) 0,100 mol/dm 3 NaOH tillsatt i 50,00 ml 0,100 mol/dm 3 HCl Svag syra stark bas K ind = [H 3O + ] [Ind ] [HIn] Färgen förändras då [HIn] [In ]. ekvivalenspunkt Indikatorns ekvivalenspunkt är då buffertområde [H+] K in dvs. då ph pk in V (ml) 0,100 mol/dm 3 NaOH tillsatt i 50,00 ml 0,100 mol/dm 3 CH 3 COOH 16
Svag bas stark syra 4. LÖSLIGHETSJÄMVIKT 4.1 4.2 Heterogen jämvikt & löslighetsprodukt buffertområde CaCO 3 (s) CaO (s) + CO 2 (g) ekvivalenspunkt K = [CaO (s)][co 2 (g)] [CaCO 3 (s)] K = [CO 2 (g)] V (ml) 0,100 mol/dm 3 HCl tillsatt i 50,00 ml 0,100 mol/dm 3 NH 3 Det fasta ämnets koncentration anses inte att förändras. Varför? För att: c = n V m = M. = V ρ. V M. V ρ = = konstant! M Svag bas svag syra utfällning CaF 2 (s) Ca 2+ (aq) + 2 F - (aq) utlösning K = [Ca 2+ (aq)][f - (aq)] 2 [CaF (s)] K s = [Ca 2+ ][F - ] 2 löslighetsprodukt mättad lösning M a X b (s) a M r+ (aq) + b X s (aq) K s = [M r+ ] a [X s ] b löslighetsjämvikt 17
K s Löslighetsprodukt (25 o C) K s K s 4.3 Inverkan på lösligheten Gemensam jon Ex. 18: Vad är lösligheten av blyjodid i en 0,10 mol/dm 3 lösning av natriumjodid? Ex. 16: Beräkna lösligheten av blyjodid i 25 o C. En gemensam jon förflyttar jämvikten i riktning mot det fasta ämnet, därmed minskar lösligheten av saltet i fråga. Ex. 17: En salt M 2 X 3 har K s = 2,2. 10 20 (mol/dm 3 ) 5. En annan svårlöslig salt M 2 X har dubbel så stor löslighet som M 2 X 3. Vad är saltens löslighetsprodukt? ph Pb[(COO) 2 ] (s) [(COO) 2 ] 2- (aq) + Pb 2+ (aq) K s = 8,6. 10-10 (mol/dm 3 ) 2 tillsats av syra: [(COO) 2 ] 2- (aq) + 2 H 3 O + (aq) (COOH) 2 + 2 H 2 O (l) totalreaktkionen: Pb[(COO) 2 ] (s) + 2 H 3 O + (aq) (COOH) 2 (aq) + Pb 2+ (aq) + 2 H 2 O (l) Då anjonen av ett svårlösligt salt är basisk (OH, O 2, korresponderande bas till en svag syra), höjer en tillsats av en syra lösligheten. Lösligheten av oxider och hydroxider beror starkt på grundämnets elektronegativitet. 18
4.4 Bildas det fällning? KI PbNO 3 PbI 2 Med jonprodukten Q kan man förutspå om ett salt (s) faller ut ur en lösning som innehåller joner av saltet. Q > K s Q = K Q = [M r+ ] a [X s ] b s Q < K s Ex. 20: Natriumsulfat tillsätts gradvis i 100 ml av en lösning som innehåller Ca 2+ (0,15 mol/dm 3 ) och Sr 2+ (0,15mol/dm 3 ). Vad är [Sr 2+ ] då CaSO 4 börjar fälla ut? Ex. 19: En elev vill tillverka 500 ml av en lösning som innehåller 0,0075 mol NaCl och 0,075 mol Pb(NO 3 ) 2. Det finns en risk för det att den svårlösliga PbCl 2 skulle fälla ut. Blir det utfällning? 19
Liitetiedostot notebook 9896.galleryitem