chemia stosowana I

temat:

pH roztworów

pojęcia kwasu i zasady wg Brönsteda

kwas substancja zawierająca cząsteczki zdolne do oddawania protonów (donory protonów)

zasada substancja zawierająca cząsteczki zdolne do przyjmowania protonów (akceptory protonów)

Kwas oddając proton przechodzi w zasadę, sprzężoną z tym kwasem.Zasada przyjmując proton przechodzi w kwas sprzężony z tą zasadą.

A B + H+

Do zajścia reakcji potrzebne są dwie pary sprzężone kwas-zasada.

A1 B1 + H+

B2 + H+ A2

A1 + B2 B1 + A2

przykłady kwasów i zasad

HCl + NH3 Cl– + NH4+

H3O+ + OH– 2 H2O

HCl + H2O Cl– + H3O+

H2O + NH3 OH– + NH4+

H2SO4 + H2O HSO4– + H3O+

HSO4– + H2O SO4

2– + H3O+

H2S + OH– HS– + H2O

stała kwasowości i zasadowości

HA + H2O A– + H3O+kwasy:

H2O + B OH– + BH+

zasady:

skala pKa = – logKa

HCl Ka = 10000000 = 1×107

HNO3 Ka = 25

HClO2 Ka = 0,01 = 1×10–2

HF Ka = 0,00063 = 6,3×10–

4

HBrO Ka = 0,000000002 =

2,0×10–9

H2O Kw = 1×10–14

NH3 Ka = 5,7×10–

40

H2S Ka = 0,0000001 = 1×10–7

NH3 + H2O NH2– + H3O+

pKa = –7.0

pKa = –1.4

pKa = 2.0

pKa = 3.2

pKa = 7.0

pKa = 8.7

pKw =14.0

pKa =39.2

kwasy wieloprotonowe

H3PO4 + H2O H2PO4– + H3O+

H2PO4– + H2O HPO4

2– + H3O+

HPO42– + H2O PO4

3– + H3O+

H2SO4 + H2O HSO4– + H3O+

HSO4– + H2O SO4

2– + H3O+

kwasy wieloprotonowe

H2SO4 / HSO4– / SO4

2–

pKa,1 = -3 pKa,2 = 1,9

H3PO4 / H2PO4– / HPO4

2– / PO43–

pKa,1 = 2,1 pKa,2 = 7,2 pKa,3 = 12,7

H2SO3 / HSO3– / SO3

2–

pKa,1 = 1,8 pKa,2 = 7,0

kwasy wieloprotonowe

kwas szczawiowy

H2C2O4 / HC2O4– / C2O4

2–

pKa,1 = 1,2 pKa,2 = 4,2

kwas ftalowy

C6H4(COOH)2 / C6H4(COO)2H– / C6H4(COO)22–

pKa,1 = 2,9 pKa,2 = 5,4

kwas cytrynowy

H4cytr / H3cytr– / H2cytr2– / Hcytr3–

pKa,1 = 3,1 pKa,2 = 4,8 pKa,3 = 6,4

moc kwasów a układ okresowy

HF(3,2)

pKa kwasów beztlenowych:

HCl(-7,0)

HBr(-9,5)

HI(-10,0)

H2O(15,7)

H2S(7,0)

H3N(39,2)

H2Se(3,7)

H2Te(2,6)

moc kwasów a układ okresowy

pKa kwasów tlenowych:

HClO4

(~ -8)

H5IO6

(3,0)

H2SO4

(~ -3)

HNO3

(-1,4)

H3PO4

(2,12)

[H2CO3](6,4)

H3BO3

(9,2)

H3AsO4

(2,25)

H4SiO4

(10,0)

HClO(7,5) HClO2

(2,0) HClO3

(~ -3) HClO4

(~ -8)

kwasy i zasady sprzężone

NH3 + H2O NH4+ + OH– pKb = 4,76

NH4+ + H2O NH3 + H3O+ pKa* = ?

H2O H3O+ + OH– pKw = 14,0

Kb·Ka* = Kw

pKb + pKa* = pKw

9,24

kwasy i zasady sprzężone

NO2– + H2O HNO2 + OH– pKb* = ?

HNO2 + H2O NO2– + H3O+ pKa = 3,3

H2O H3O+ + OH– pKw = 14,0

Ka·Kb* = Kw

pKa + pKb* = pKw

10,7

stopień dysocjacji

CH3COOH + H2O CH3COO– + H3O+

stała dysocjacji

Ka = 1,8×10–5

stężenie nominalne C0: 1M 0,01M 0,0001M

CH3O+ = CCH3COO–: 4,2×10–3 4,1×10–4 3,4×10–5

stopień dysocjacji : 0,42% 4,1% 34%

Ka = _______ = _____CH3O+·CA–

CHA

C0·2

1 –

Stopień dysocjacji rośnie wraz z rozcieńczeniem roztworu.

stopień dysocjacji

CH3COOH + H2O CH3COO– + H3O+

stała dysocjacji

Ka = 1,8×10–5

Dodatek soli zmniejsza stopień dysocjacji kwasów.

CH3COONa CH3COO– + Na+

0,1M CH3COOH: 1,35%

0,1M CH3COOH + 0,1M CH3COONa: 0,018%

stopień dysocjacji

CH3O+ = C0·

pH roztworów kwasów

kwasy słabe - częściowo zdysocjowane:

1M CH3COOH pKa = 4,75 CH3O+ = 0,0042 mol/dm3 pH 2,38

0,01M CH3COOH CH3O+ = 0,00041 mol/dm3 pH 3,39

0,01M HClO2 pKa = 1,96 CH3O+ = 0,0063 mol/dm3 pH 2,20

0,01M HClO pKa = 7,5 CH3O+ = 1,8×10–5 mol/dm3 pH 4,75

0,01M HIO pKa = 11,0 CH3O+ = 3,4×10–7 mol/dm3 pH 6,47

kwasy mocne - całkowicie zdysocjowane:

1M HCl CH3O+ = 1 mol/dm3 pH = 0

0,1M HClO4 CH3O+ = 0,1 mol/dm3 pH = 1

0,001M HI CH3O+ = 0,001 mol/dm3 pH = 3

0,03M HBr CH3O+ = 0,03 mol/dm3 pH = 1,52

CH3O+ = CIO– + COH–C0 = CIO– + CHIO

kwasy wieloprotonowe

H2SO4 / HSO4– / SO4

2–

pKa,1 = -3 pKa,2 = 1,9

CSO42– + CHSO4

– = C0

2CSO42– + CHSO4

– = CH3O+

C0 CH3O+ pH1M 1,012 mol/dm3 -0,005 (0)0,1M 0,110 mol/dm3 0,96 (1)0,01M 0,0145 mol/dm3 1,84 (2)0,001M 0,00191 mol/dm3 2,72 (3)0,0001M 0,00020 mol/dm3 3,70 (4)0,00001M 0,000020 mol/dm3 4,70 (5)

pH roztworów zasad

zasady słabe - częściowo zdysocjowane: pOH pH

1M NH3 pKb = 4,75 COH– = 0,0042 M 2,38 11,62

0,01M NH3 COH– = 0,00041 M 3,39 10,61

0,01M N2H4 pKb = 6,0 COH– = 9,95×10–5 M 4,00 10,00

0,01M NH2OH pKb = 7,9 COH– = 1,12×10–5 M 4,95 9,25

0,01M PhNH2 pKb = 9,4 COH– = 2,00×10–7 M 5,70 8,30

zasady mocne - całkowicie zdysocjowane:

1M NaOH COH– = 1 mol/dm3 pOH = 0 pH = 14

0,1M KOH COH– = 0,1 mol/dm3 pOH = 1 pH = 13

0,001M KOH COH– = 0,001 mol/dm3 pOH = 3

pH = 11

0,03M NaOH COH– = 0,03 mol/dm3 pOH = 1,52 pH =

12,48

?

zasadowykwaśny

hydroliza

CH3COONH4/s/ CH3COO– + NH4+

NH4Cl/s/ NH4+ + Cl–

+H2O

NH3+

H3O+

K2CO3/s/ 2 K+ + CO32–

+H2O

HCO3–

+OH–

+H2O

NH3+

H3O+

+H2O

CH3COOH+

OH–

pH roztworów soli

mocny kwas - słaba zasada

NH3 + HCl Cl– + NH4+

VNH3 0,1M VHCl 0,1M pH

50 100 1,48

100 100 5,13

100 80 8,65

100 60 9,07

100 40 9,45

100 30 9,62

100 0 11,13

H2O + HCl Cl– + H3O+

NH3 + H3O+ H2O + NH4+

pH roztworów soli

słaby kwas - mocna zasada

CH3COOH + NaOH CH3COO– + Na+ + H2O

VCH3COOH 0,1M VNaOH 0,1M pH

50 100 12,52

100 100 8,87

100 80 5,35

100 60 4,93

100 40 4,55

100 30 4,38

100 0 2,87

NaOH OH– + Na+

CH3COOH + OH– H2O + CH3COO–

wodorosiarczek amonu:

pKa = 7,0 pKb = 4,75 pKa* = 9,25 pH = 8,1

octan amonu:

pKa = 4,75 pKb = 4,75 pKa* = 9,25 pH = 7,0

mrówczan amonu:

pKa = 3,8 pKb = 4,75 pKa* = 9,25 pH = 6,5

pH roztworów soli

słaby kwas - słaba zasada

HCOOH + NH3 HCOO– + NH4+

CH3COOH + NH3 CH3COO– + NH4+

H2S + NH3 HS– + NH4+

Dla roztworów niezbyt rozcieńczonych pH nie zależy od stężenia!

?

zasadowykwaśny

hydroliza

CH3COONH4/s/ CH3COO– + NH4+

NH4Cl/s/ NH4+ + Cl–

+H2O

NH3+

H3O+

K2CO3/s/ 2 K+ + CO32–

+H2O

HCO3–

+OH–

+H2O

NH3+

H3O+

+H2O

CH3COOH+

OH–

układy buforowe

Słabe kwasy (zasady) tworzą z solami tzw. mieszaniny buforowe, których pH jest mało wrażliwe na dodatek silnej zasady (kwasu).

układy buforowe

układy buforowe

wskaźniki kwasowo-zasadowe

IndH Ind– + H+ IndH+ Ind + H+

oranż metylowy

czerwień metylowa

tymoloftaleina

wskaźniki kwasowo-zasadowe

IndH Ind– + H+ IndH+ Ind + H+

wskaźniki kwasowo-zasadowe

IndH Ind– + H+ IndH+ Ind + H+

miareczkowanie kwasów

mocny kwas

solny

słaby kwas

octowy

Poprawne wykonanie analizy wymaga dobrania odpowiedniego wskaźnika.