Hapot ja emäkset

KE6: Kemiallinen tasapaino 3/4

Protonin-siirto-reaktiot

Keskeiset asiat:

happo, emäs
vastinhappo, vastinemäs
protoninsiirtoreaktio
amfolyytti
hapan oksidi
emäksinen oksidi

Sidos 6: Luku 6

Hapot ja emäkset

Brønstedin happo-emästeoria

Happo HA luovuttaa vetyionin eli protonin.

Emäs B vastaanottaa vetyionin eli protonin.

Kaikki happo-emäsreaktiot ovat protoninsiirtoreaktioita.

\mathrm{HCl,\ H_2SO_4, CH_3COOH}

\mathrm{NaOH,\ Ca(OH)_2, NH_3}

vety-atomi

vetyioni eli protoni

oksoniumioni \(\mathrm{H_3O^+}\)

\mathrm{HA(aq)+H_2O(l)\rightarrow A^-(aq)+H_3O^+(aq)}

Protoninsiirtoreaktio

Protoninsiirtoreaktiossa happo luovuttaa protonin ja emäs vastaanottaa sen.

happo

vastinemäs

emäs

vastinhappo

aiheuttaa liuoksen happamuuden

emäs

happo

vastinemäs

vastinhappo

aiheuttaa liuoksen emäksisyyden

Veden kanssa tapahtuvissa protoninsiirtoreaktiossa muodostuu kaksi happo-emäsparia.

\mathrm{B(aq)+H_2O(l)\rightarrow BH^+(aq)+OH^-(aq)}

Happojen rakenne

Mikä vety irtoaa etikkahaposta?

Irtoava vetyatomi on sitoutunut erittäin elektronegatiiviseen atomiin (esim. happi)
Kun elektronegatiivisen atomin ja vetyatomin välinen sidos katkeaa, molemmat sidoselektronit jäävät elektronegatiivisemmalle atomille
\(\rightarrow\) vety irtoaa protonina

\(\mathrm{H^+}\)

Moniarvoinen happo tai emäs

voi protolysoitua useamman kuin yhden kerran
esim. rikkihappo \(\mathrm{H_2SO_4}\)
esim. kalsiumhydroksidi \(\mathrm{Ca(OH)_2}\)

Amfolyytti

aine, joka voi sekä luovuttaa että vastaanottaa protonin eli toimia sekä happona että emäksenä
amfolyytti on amfoteerinen aine
esim. vesi \(\mathrm{H_2O}\)

Esimerkki

voi vielä protolysoitua

happo

vastinemäs

emäs

vastinhappo

happo

vastinemäs

emäs

vastinhappo

Vetyoksalaatti-ioni \(\mathrm{HOOCCOO^-(aq)}\) voi toimia sekä happona että emäksenä eli se on amfolyytti.

Kirjoita yhdisteen kaikki protoninsiirtoreaktiot, kun se reagoi veden kanssa.

\mathrm{b)\ H_3PO_4}

Esimerkki

Kirjoita yhdisteen kaikki protoninsiirtoreaktiot, kun se reagoi veden kanssa. Tarkastele fosforihaposta \(\mathrm{b)\ H_3PO_4}\) muodostuvia muotoja. Mitkä voivat toimia ainoastaan happona tai emäksenä, mitkä ovat amfolyyttejä?

happo

emäs

amfolyytti

Oksidien happamuus ja emäksisyys

Alkali- ja maa-alkalimetallien oksidit

ioniyhdisteitä
vesiliuoksena emäksinen liuos

Epämetallien oksidit

eivät ole ioniyhdisteitä
vesiliuoksena hapan liuos

Muut oksidit

amfoteerisia tai neutraaleja liuoksia

epämetallit

alkalimetallit

maa-alkalimetallit

Vahvat ja heikot hapot ja emäkset

Keskeiset asiat:

heikko ja vahva happo
heikko ja vahva emäs
happovakio
emäsvakio

Sidos 6: Luku 7

Vahva ja heikko happo

vahva happo protolysoituu (lähes) täysin
heikko happo protolysoituu vain osittain

happamampi kuin heikko happo

0,10 M

Heikon hapon protolysoituminen

protolysoitumisreaktio on tasapainoreaktio

\(\rightarrow\) reaktiolle voidaan määrittää tasapainovakio

\mathrm{HA(aq)+H_2O(l)\leftrightharpoons A^-(aq)+H_3O^+(aq)}

K_a=\mathrm{\frac{[A^-][H_3O^+]}{[HA]}}

Veden konsentraatio on niin suuri, ettei sitä oteta huomioon happovakion lausekkeessa!

Heikon emäksen protolysoituminen

protolysoitumisreaktio on tasapainoreaktio

\(\rightarrow\) reaktiolle voidaan määrittää tasapainovakio

\mathrm{B(aq)+H_2O(l)\leftrightharpoons BH^+(aq)+OH^-(aq)}

K_b=\mathrm{\frac{[BH^+][OH^-]}{[B]}}

Veden konsentraatio on niin suuri, ettei sitä oteta huomioon emäsvakion lausekkeessa!

Esimerkki

Kumpi on vahvempi happo bentsoehappo vai fenoli?

Mitä vahvempi happo on kyseessä, sitä enemmän oksoniumioneja liuokseen muodostuu. Mitä suurempi happovakion arvo on, sitä enemmän tuotteita tasapainotilassa esiintyy.

6{,}3\cdot10^{-5}>1{,}0\cdot10^{-10}

Bentsohappo on vahvempi happo.

Aminohapot

sisältävät happona toimivan karboksyyliryhmän ja emäksenä toimivan aminoryhmän
molekyylissä tapahtuu sisäinen protoninsiirtoreaktio

pH ja pOH

Keskeiset asiat:

pH
veden protoninsiirtoreaktio
veden ionitulo
neutraali, hapan ja emäksinen liuos
pOH
indikaattori

Sidos 6: Luku 8

Liuoksen pH ja oksoniumionikonsentraatio

liuoksen happamuutta mitataan pH-arvolla

\mathrm{pH=-lg[H_3O^+]}

\mathrm{[H_3O^+]=10^{-pH}}

Esimerkki

a) Liuoksen oksonium-ionikonsentraatio on 0,00035 mol/l. Mikä on liuoksen pH?

b) Liuoksen pH on 8,40. Mikä on liuoksen oksonium-ionikonsentraatio?

\mathrm{[H_3O^+]=0{,}00035\ M}

\mathrm{pH=-lg[H_3O^+]}

=\mathrm{-lg(0{,}00035)}

=3{,}455...

\approx3{,}46

pH:ssa merkitseviä numeroita ovat pilkun jälkeen tulevat numerot

\mathrm{pH=8{,}40}

\mathrm{[H_3O^+]=10^{-pH}}

=10^{-8{,}40}

=3{,}981...\cdot10^{-9}

\approx 4{,}0\cdot10^{-9}\ \mathrm{(M)}

Veden autoprotolyysireaktio

vesi on amfolyytti
vesimolekyylit voivat reagoida myös keskenään, jolloin osa toimii happoina ja osa emäksinä

vesi on sekä happona että emäksenä hyvin heikko, koska vain pieni osa vesimolekyyleistä reagoi protoninsiirtoreaktiossa

Veden ionitulo

veden protoninsiirtoreaktion tasapainovakion lauseke

\mathrm{2\ H_2O(l)\leftrightharpoons H_3O^+(aq)+OH^-(aq)}

K=\mathrm{\frac{[H_3O^+][OH^-]}{[H_2O]^2}}

veden konsentraatio niin suuri, ettei se vaikuta tasapainoasemaan

K_w=\mathrm{[H_3O^+][OH^-]}

veden ionitulo

riippuu lämpötilasta, 25 \(^\circ\)C lämpötilassa arvo \(1{,}008\cdot10^{-14}\)
veden ionitulon avulla voidaan ratkaista oksonium- ja hydroksidi-ionikonsentraatiot

Liuoksen pH

Liuoksen pH määräytyy sen sisältämien oksoniumionien ja hydroksidi-ionikonsentraatioiden suhteen mukaan

neutraali liuos

\(\mathrm{[H_3O^+]=[OH^-]}\)

hapan liuos

\(\mathrm{[H_3O^+]>[OH^-]}\)

emäksinen liuos

\(\mathrm{[H_3O^+]<[OH^-]}\)

pOH

\mathrm{pOH=-lg[OH^-]}

\mathrm{[OH^-]=10^{-pOH}}

pH:n ja pOH:n yhteys

K_w=\mathrm{[H_3O^+][OH^-]}

\|\text{ lg}

\mathrm{lg}(K_w)=\mathrm{lg([H_3O^+][OH^-])}

\|\cdot(-1)

-\mathrm{lg}(K_w)=-\mathrm{lg([H_3O^+][OH^-])}

-\mathrm{lg}(K_w)=-\mathrm{lg[H_3O^+]+(-lg[OH^-])}

\mathrm{p}K_w=\mathrm{pH+pOH}

25 \(^\circ\)C lämpötilassa pH+pOH=14,00

\mathrm{p}K_w=-\mathrm{lg}(K_w)

Esimerkki

Typpihappoliuoksen oksoniumionikonsentraatio on 0,01 mol/l.

a) Mikä on liuoksen pH?

b) Mikä on liuoksen pOH?

Ratkaisu:

\mathrm{pH=-lg[H_3O^+]}

\mathrm{[H_3O^+]=0{,}01\ mol/l}

=-\mathrm{lg}(0{,}01)

=2{,}0

\mathrm{pH+pOH}=\mathrm{p}K_w

\mathrm{pOH=\ }pK_w-\mathrm{pH}

=14{,}0-2{,}0

=12{,}0

Jos lämpötilaa ei erikseen sanota, oletetaan sen olevan 25 \(^\circ\)C.

Indikaattorit

orgaanisia heikkoja happoja tai heikkoja emäksiä
eri värisiä happamassa ja emäksisessä ympäristössä
osa luonnon kasveista toimii indikaattoreina

\(\mathrm{p}K_a\ \mathrm{ja\ p}K_b\)

\mathrm{p}K_a=-\mathrm{lg}(K_a)

\mathrm{p}K_b=-\mathrm{lg}(K_b)

Happo- ja emäsvakioiden vertaileminen on helpompaa, jos luvut eivät ole kymmenpotenssimuodossa

Liuoksen pH

Keskeiset asiat:

vahvan hapon ja emäksen pH-arvon laskeminen
heikon hapon ja emäksen pH-arvon laskeminen
ionisoitumisaste

Sidos 6: Luku 9

Vahvan hapon ja emäksen pH

vahva happo protolysoituu täysin

\mathrm{HA(aq)+H_2O(l)\rightarrow A^-(aq)+H_3O^+(aq)}

c\mathrm{(HA)=[H_3O^+]}

vahva emäs protolysoituu täysin

\mathrm{B(aq)+H_2O(l)\rightarrow BH^+(aq)+OH^-(aq)}

c\mathrm{(B)=[OH^-]}

\mathrm{pH=-lg[H_3O^+]}

\mathrm{pOH=-lg[OH^-]}

\mathrm{pH}=\mathrm{p}K_w-\mathrm{pOH}

Esimerkki

Natriumhydroksidiliuoksen konsentraatio on 0,025 M. Mikä on liuoksen pH?

Ratkaisu:

Heikon hapon ja emäksen pH

\mathrm{HA(aq)+H_2O(l)\leftrightharpoons A^-(aq)+H_3O^+(aq)}

K_a=\mathrm{\frac{[A^-][H_3O^+]}{[HA]}}

heikon hapon pH:ta varten tarvitaan oksoniumionikonsentraatio

heikon emäksen pOH:ta varten tarvitaan hydroksidi-ionikonsentraatio

\mathrm{B(aq)+H_2O(l)\leftrightharpoons BH^+(aq)+OH^-(aq)}

K_b=\mathrm{\frac{[BH^+][OH^-]}{[B]}}

Esimerkki

Metaanihapon HCOOH konsentraatio oli 0,050 mol/l. Mikä on liuoksen pH? Mikä on liuoksen ionisoitumisaste?

Ratkaisu:

c\mathrm{(HCOOH)=0{,}050\ M}

\mathrm{HCOOH(aq)+H_2O(l)\leftrightharpoons H_3O^+(aq)+HCOO^-(aq)}

\mathrm{[H_3O^+]}=\ ?

c_a

\Delta

c_{tp}

0{,}050

-x

0{,}050-x

K_a=\mathrm{\frac{[HCOO^-][H_3O^+]}{[HCOOH]}}

1{,}8\cdot10^{-4}=\frac{x\cdot x}{0{,}050-x}

Vastaus: Liuoksen pH on 2,54 ja ionisoitumisaste 5,8 %.

\approx 5{,}8\ \%

ionisoitumisaste

= hapon ja sen vastinemäksen konsentraatioiden suhde \(\mathrm{\frac{A^-}{HA}}\) TAI emäksen ja sen vastinhapon konsentraatioiden suhde \(\mathrm{\frac{BH^+}{B}}\)

\mathrm{[H_3O^+]=[HCOO^-]}

Neutraloituminen

Keskeiset asiat:

neutraloituminen
suolaliuoksen pH

Sidos 6: Luku 9