Acids and bases Eller syror och baser

Starka syror och baser I A-kursen studerades i huvudsak starka syror och baser Starka syror är sådana som fullständigt protolyseras, dvs. där alla syra-partiklar avger protoner (eller vätejoner). Detta ger jämvikter starkt förskjutna åt höger. I detta kapitel kommer vi titta, i huvudsak spå svaga syror och baser. Vi kan nu använda jämviktsekvationen för att gradera dess styrka. ( i det senaste kapitlet behandlade vi uteslutande gasjämvikter, men jämviktsekvationen kan även användas på vätskor)

Ättiksyra Eller etansyra, som är det systematiska namnet har formeln CH3COOH. Då det blir mycket att skriva använder man ofta en kortformel för ättiksyra, HAc, där H+ är den bekanta vätejonen och Ac- kallas acetatjon. Ättiksyra är, likt de flesta organiska syror, en svag syra. Protolysreaktionen kan skrivas HAc + H2O  H3O+ + Ac-.

Jämviktsekvationen Blir I utspädda syralösningar har [H2O] i princip samma värde som rent vatten. (Hur beräknar man koncentrationen vatten i vatten?) Vi kan anta att vatten får detta värde i alla utspädda lösningar och vi kan förenkla jämviktsuttrycket…

Syrans protolyskonstant, Ka …som blir a kommer från engelskans acid. Ka kallas syrans protolyskonstant eller kortare, syrakonstanten. Ju mindre mätetal Ka har, ju svagare syra. I tabellen på s. 56 anges, förutom Ka, för några syror och pKa. pKa definieras analogt med pH. pKa = - log Ka och Ka = 10-pKa mol/dm3

Amfolyten vatten Vatten är en amfolyt. Dvs. den kan fungera både som syra och bas. Detta gör att i en vattenlösning ställer jämvikten in sig H2O + H2O ⇔ H3O+ + OH-

Vattnets jonprodukt Jämviktskvoten blir Men eftersom [H2O] är konstant (vi visade det förra gången) kan vi skriva Där Kw är en ny konstant, vattnets protolyskonstant, eller vattnets jonprodukt.

Vid 25 °C är Kw = 1,0 x 10-14 (mol x dm-3) Kw ökar med stigande temperatur. Reaktionen H2O + H2O ⇔ H3O+ + OH- är alltså endoterm. Vid en given temperatur kommer alltså produkten Ha ett konstant värde. Om [H3O+] halveras kommer [OH-] dubblas

Log På samma sätt som vi bildat pH och pKa, kan vi skapa pKw. pKw = -log Kw och Kw = 10-pKw Vi kan också skapa pOH, pOH = -log [OH-] och [OH-] = 10-pOH Med jhälp av dessa uttryck kan vi skriva vattnets jonprodukt Kw = [H3O+] x [OH-] som 10-Kw = 10-pH x 10-pOH , vilket kan förenklas till 10-Kw = 10-pH + pOH Det ger pKw = pH + pOH

Eftersom Kw = 1,0 x 10-14 (mol x dm-3), Vid 25 °C Borde pKw vara –log 1,0 x 10-14 Alltså 14. Så vid 25 °C kommer pH + pOH = 14

Baskonstanten Kb Kan vi bilda för svaga baser, så samma sätt som vi bildade syrakonstanten. Ammoniak protolyseras i vatten enl: NH3 + H2O ⇔ NH4+ + OH- Jämvikten blir

Men eftersom koncentrationen vatten i vatten är konstant, kan vi lyfta ut [H2O] och baka in den i K, så skapar vi Kb. Istället för Kb kan man ange pKb. pKb = -log Kb

Syra-bas-par I tabellen på sidan 56 är syror listade i den vänstra spalten och i den högra listats baser. Ser ni något samband mellan en syra och en bas på samma rad? Om syran längst ner i tabellen(som har ett lågt Ka – värde och därmer är en mycket svag syra) protolyseras. Vad bilas? Jo, basen på samma rad i den högra kolumnen. Den korresponderande basen till en svag syra är relativt stark. (ett hägt värde på Kb)

För svaga syror och baser är protolysreaktionen reversibel. För ammoniak gäller: NH3 + H2O ⇔ NH4+ + OH-, där Kb blir När jämvikt råder finns produkten NH4+, som ju är en syra, i lösning. Då gäller samtidigt att

Om vi multiplicerar uttrycken för Ka(NH4+) och Kb(NH3) får vi Efter förenkling får vi [H3O+] x [OH-] Det uttrycket känner vi igen va?

Ja det är ju Kw. Alltså: Ka x Kb = Kw Eller pKa + pKb = pKw

Joners protolys Vad får en vattenlösning av natriumklorid för pH? Vad får en vattenlösning av natriumacetat (NaAc) för pH? Ja, den övre reaktionen ger en neutral lösning, men den undre kommer får en basisk reaktion. Varför?

Jo, kloridjonen är den korresponderade basen till HCl Jo, kloridjonen är den korresponderade basen till HCl. Då HCl är en mycket stark syra måste Cl- vara en mycket svag bas, annars skulle den ju inte låta protolyseras fullständigt. Acetatjonen är korresponderande bas till den relativt svaga syran HAc. Ac- måste alltså har starkare baskaraktär än Cl- . Ac- är så stark bas att den kan ta protoner från vattenmolekylen

Det finns fler exempel på alkalisalter av svaga syror som får basisk reaktion. Na2CO3 (natriumkarbonat) är ett exempel. Karbonatjonen finns ju i kolsyra (H2CO3) som är en svag syra. Då bör karbonatjonen ha goda basegenskaper.

Joner kan även vara syror Ammoniumklorid (salmiak) har svagt sur reaktion. Ammoniumjonen, NH4+, är en svag syra

Hydratiserade metalljoner En vattenlösning av aluminiumklorid, AlCl3 har sur reaktion. I vattenlösning binder varje aluminiumjon 6 st vattenmolekyler. Al(H2O)63+ protolyseras enl. följande: Al(H2O)63+ + H2O ⇔ Al(OH)(H2O)52+ + H3O+ Fler två- och trevärda metalljoner som hydratiserats fungerar som syror. Envärda hydratiserade metalljoner är däremot så svaga svaga att man kan bortse från deras protolys.

Joner som amfolyter Det finns syror som protolyseras i flera steg, ex H2CO3. Efter det första protolyssteget får vi HCO3- . Vätekarbonatjonen kan antigen vidare avge nästa proton eller ta tillbaka den förra. Den kan alltså fungera både som bas och syra och är likt vatten, en amfolyt.

Neutralisation Får en lite vidare betydelse nu än förut… Neutraliserar man ekvivalenta mängder av en stark syra med en stark bas kommer vi får en neutral lösning. Men använder vi däremot en svag syra och en stark bas får vi vatten och ett salt där den svaga syrans korresponderande bas ingår. I vattenlösning är salterna oftast lättlösliga. Därmed har vi den svaga syrans korresponderande bas i vattenlösningen. En svag syras korresponderande bas är oftast en tillräckligt stark bas för att kunna ta H+ från vattenmolekylen och reaktionen blir, trotts neutralisationen av ekvivalenta mängder syra – bas, ändå basisk.

Syra - bastitrering När ni i A-kursen titrerade använde ni en stark bas som titrator, för att bestämma halten stark syra i ett prov. När man tillsatt ekvivalent mängd bas kommer syra neutraliserats och pH~7. Detta mätte ni med en indikator som har färgomslag i närheten av pH 7. Jag tror ni använde BTB som har färtgomslag mellan pH 6 – pH 7,6.

Titrerkurva Ni tillsatte titrator tills ni fick färgomsalg och utgick sedan från mängden tillsatt bas för at beräkna substansmängden syra. Man kan under hela försöket, med jämna mellanrum mäta pH vid en viss mängd tillsatt titrator. Då kan man avsätta pH mot mängd tillsatt titatorlösning i ett diagram. Då får man en sk. titrerkurva. Se s. 68

Titrering av en svag syra Om man ska titrera en svag syra med en starkare bas, måste man fundera över vilka joner man får i lösningen efter neutralisationen, när ekvivalenta mängder syra – bas är tillsatta. Vi har ju sett innan ann neutralisation av en svag syra inte alltid ger en lösning med pH7. (ättiksyra tex) Vad berodde det på?

Om vi titrerar 50 cm3, 0,1 mol/dm3 ättiksyra med 50 cm3, 0,1 mol/dm3 NaOH, kommer vi få en natriumacetatlösning med en koncentration på 0,05 mol/dm3 (volymen är ju nu dubbelt så stor). I exempel 4.6 på s 63 har en 0,05mol/dm3 ättiksyralösning ett pH~8,7. Vi ekvivalenspunkten kommer vi alltså ha pH~8,7. Då måste vi se till att välja en indikator som har färgomslag i närheten. Den enda av de vanligt förekommande är Fenolftalein, som har färgomslag mellan 8,3 och 9.8

Halvtitrerpunkten När hälften av syran har neutraliserats är [HAc] = [Ac-]. När jämvikt råder mellan HAc och Ac- kan vi avläsa Ka (HAc) som är 1,8 x 10-5 som ger pKa = 4,7 som ju blir = pH (för vid jämvikten [HAc] = [Ac-] finns också lika många [H3O+]) Här är kurvan som flackast. Det innebär att pH inte ändras märkbart vid tillsats av mer bas. Här ligger ett sk. buffertområde.

Buffertlösningar Buffertlösningar är lösningar som kan ta emot syror och baser utan att det blir stora pH – ändringar. Det beror på att buffertlösningar innehåller både en savg syra och en svag bas i relativt höga koncentrationer. Syran och basen utgörs ofta av ett syra – baspar, ex HAc – Ac-. Den svaga syran tar hand om tillsatt bas och den svaga basen tar hand om tillsatt syra. Syrabasparet HAc – Ac- har störst buffertverkan när [HAc] = [Ac-]