KEM A02 Allmän- och oorganisk kemi SYROR OCH BASER Atkins & Jones kap 11.1-11.10

ÖVERSIKT - Syror och baser – grundläggande egenskaper - Svaga syror och baser - pH i lösningar av svaga syror och baser - Flerprotoniga syror - Autoprotolys och pH

SYRA-BASNIVÅ ”till vardags” pH intervall ca 1 – 13 Se även: A&J T11.12

11.1. BrØnsted syror och baser (Johannes BrØnsted 1923) DEFINITIONER SYRA – proton donator BAS – proton acceptor PROTON – vätejon H+ (H3O+ eller H+(aq)) , H+(aq) Hydroxoniumjon

TYPREAKTION BrØnsted-syra H+ överförs direkt från syra till bas – protontransfer Ex1) HCl + H2O Cl- + H3O+ stark syra, jv:  syra bas Ex 2) HCN + H2O CN-(aq) + H3O+ svag syra, mest HCN! Ex 3) HCO3-(aq) + H2O(l) H3O+(aq) + CO32-(aq) svag syra, mest HCO3- - Biologiskt relevant ... mer info senare! - DOCK! Jämvikten kan drivas åt höger om tex CO32- fälls ut som CaCO3(s) KEYPOINT: Samma typ av reaktion men deprotoneringsgraden varieriar!      

TYPREAKTION BrØnsted bas Karaktäristiskt: En eller flera ensamma [obundna] elektronpar [som kan ta upp H+] Ex1) CaO (s) + H2O(l) Ca2+(aq) + 2 OH- (aq) O2-: mkt stark bas bas Ex 2) NH3 (aq) + H2O (l) NH4+ (aq) + OH- (aq) NH3 – oladdad!  svagare attraktion  svagare bas KEYPOINT: Samma typ av reaktion men protoneringsgraden varieriar! oxidjon

Begrepp: KONJUGERAD SYRA OCH BAS PRINCIP Syra [donerar H+] Konjugerad bas EXEMPEL H2CO3 Kolsyra HCO3- Vätekarbonatjon PRINCIP PRINCIP Bas [tar upp H+] Konjugerad syra EXEMPEL CN- HCN EXEMPEL Cyanidjon Vätecyanid H+ H+

Det finns annat än protoner... 11.2. Lewissyror och -baser ”NYA” DEFINITIONER Lewis syra: Elektronparacceptor Exempel 1: HCl Cl- : ”accepterar” e-par Exempel 2: Cu2+ Cu2+ + 6 NH3 Cu(NH3)62+ Lewis bas: Elektronpardonator Exempel 1: NH3 N: donerar fritt e-par till H+ och bildar NH4+ Exempel 2: OH- Fe3+ + 3 OH- Fe(OH)3 e- Järn(III)hydroxid Koppar(II)hexammin NYTT! Reaktioner som inte omfattar H+ - ”elektronperspektiv”

MILJÖKATASTROF!!! S-atmosfär O-atmosfär

11.3. Sura, basiska och amfotera oxider Vi lever i en oxiderande miljö! SUR OXID - Bildar Brönsted syra i vatten Ickemetaller Ex) CO2 i vatten H2CO3 BASISK OXID - Bildar OH- i vatten Metaller Ex) CaO i vatten  Ca(OH)2 (s) AMFOTERA OXIDER Reagerar både med syror och baser Övergångsmetaller – tom ca Al/Pb diagonalen Ex) Al2O3

11.4. Protonutbyte mellan vattenmolekyler Nyckelfunktion för syra-bas beteende REAKTION 2 H2O H3O+ + OH-   Kw Kw = a(H3O+) a(OH-) a(H2O)2 ≈ [H3O+][OH-] Kw = 1 x 10-14 M2 vid 25 oC OBS1! Mkt snabbt utbyte! Diffusionskontrollerat – OK för korta avstånd – dock ej långa OBS2! Jämvikten förskjuten långt åt vänster  dålig konduktivitet i rent vatten!

pH = - log(a(H3O+)) ≈ - log [H3O+] pOH = - log(a(OH+)) ≈ - log [OH-] 11.5, 11.6 pH- skalan och pOH DEFINITIONER pH = - log(a(H3O+)) ≈ - log [H3O+] pOH = - log(a(OH+)) ≈ - log [OH-] Anges lämpligen med 2 decimaler t.ex. pH 5.26 SAMBAND pKw = pH + pOH pOH = pKw – pH Härledning: läs själva! (A 11.6)

SVAGA SYROR OCH BASER 11.7 Syra- och baskonstanter VAD FINNS I EN VATTENLÖSNING AV EN SVAG SYRA? Syran själv; HA HA + H2O A- + H3O+ Lite av den konjugerade basen; A- Ka = [A-][H3O+]/[HA] Liten mängd H3O+ - lika mycket tillskott som bildat A- VAD FINNS I EN VATTENLÖSNING AV EN SVAG BAS? Basen själv; B B + H2O HB + OH- Lite av den konjugerade syran; HB Kb = [HB][OH-]/[B] Liten mängd OH- - lika mycket tillskott som bildat HB NOTERA! pH = pKa då [HA]=[A-] och pOH = pKb då [HB]=[B]

LÖSNING: Jämför pKa eller pKb-värden! Hur vet man vad som är den starkaste syran/basen? EXEMPEL 11.5 Jämför HF (vätefluorid) med HIO3 (jodsyra, vätejodat) Jämför NO2- (nitritjon) med CN- (cyanidjon) LÖSNING: Jämför pKa eller pKb-värden! UR TABELL 11.1 och 11.2 Förening pKa pKb HF 3.45 - HIO3 0.77 - NO2- - 14 – 3.37 (pKa för HN02) = 10.63 CN- - 14 – 9.31 (pKa för HCN) = 4.69 Lägst värde starkast syra! Lägst värde starkast bas!

TABELL 11.1 & 2 ”labkemikalier” ”Vanliga pH” pH TABELL 11.1 & 2 ”labkemikalier” pOH 14 NaOH – caustic soda

Fråga: Hur sur kan en syra vara? Exempel på SUPERSYRA Triflourometansulfonsyra ”Triflic acid” Ka ca 1015 pKa ca -15 Användning: kraftfullt protoneringsreagens OBS! 3 starkt elektronegativa grupper

11.9. Koppling - struktur och syrastyrka Table 7: H-X Bond Strengths and pKa   pKa Bond Energy [kJ/mol] HF 3.1 567.7 HCl -6.0 431.6 HBr -9.0 365.9 HI -9.5 298.0 H - X STARK SYRA: H+ ”trillar lätt av” Minskande H-X bindningsstyrka Minskande pKa dvs surare syra! http://www.vias.org/genchem/acidbase_equ_12591_06.html

11.10. Oxosyror syrastyrka och elektronegativitet OXOSYROR Surt H+ bundet till O EXEMPEL: Karboxylsyror Svavelsyra Salpetersyra Fosforsyra Halogener-oxosyror

Halogen - oxosyror HClO4 HBrO4 HIO4 HClO3 HClO Oxidationstal Syrastyrka HClO4 HBrO4 HIO4 HClO3 HClO Starka syror då 1) höga oxidationstal; X 2) hög elektronegativitet; X EFFEKT: försvagad H-O bindning! Elektro- negativitet Syrastyrka

Karboxylsyror SYRASTYKA Carboxylic Acids pKa H  Cl e- Princip: se halogener - oxosyror Carboxylic Acids pKa Formic acid (HCO2H) 3.77 Acetic acid (CH3COOH) 4.76 Chloroacetic acid (CH2ClCO2H) 2.86 Dichloroacetic acid (CHCl2CO2H) 1.29 Trichloroacetic acid (CCl3CO2H) 0.65 Trifluoroacetic acid (CF3CO2H) 0.5 Oxalic acid (HO2CCO2H) 1.27 Benzoic acid (C6H5CO2H) 4.2 H  Cl e-

Summering TYPREAKTION pH skalan EXEMPEL Svavelsyra H2SO4 Saltsyra HCl Perklor/bromsyra HClO4 HBrO4 Klor/bromsyra HClO3 HBrO3 Hypoklorit/bromitsyra HClO HBrO Fluorättiksyra CH2ClCO2H Ättiksyra CH3CO2H (HAc) Ammoniak NH3 Natriumhyroxid NaOH Magnesiumhydroxid Mg(OH)2 Kalciumoxid CaO Natriumhydrid NaH* (*H2 avgår) Syror deprotoneras HA + H2O A- + H3O+ Baser protoneras B- + H2O HB + OH-