KEM A02

Allmän- och oorganisk kemi

F2

SYROR OCH BASER Atkins & Jones kap 11.1-11.10

KEMA02 MJ 2012-11-08 1

ÖVERSIKT

• Syror och baser – grundläggande egenskaper

• Autoprotolys och pH

• Svaga syror och baser

• pH i lösningar av svaga syror och baser

• Flerprotoniga syror

KEMA02 MJ 2012-11-08 2

Syra-Basnivå ”till vardags”

pH intervall

ca 1 – 13

Se även:

A&J T11.12

KEMA02 MJ 2012-11-08 3

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

KEMA02 MJ 2012-11-08 4

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 CO3

2- fälls ut som CaCO3(s) KEYPOINT: Samma typ av reaktion men deprotoneringsgraden varieriar!

KEMA02 MJ 2012-11-08 5

TYPREAKTION BrØnsted bas

Karaktäristiskt: En eller flera ensamma [obundna] elektronpar [som kan ta upp H+]

oxidjon

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!

KEMA02 MJ 2012-11-08 6

KORRESPONDERANDE SYRA OCH BAS

(Konjugerade)

PRINCIP

Syra

[donerar H+]

Korresponderande bas

EXEMPEL

HCl Saltsyra

Cl- Kloridjon

H+

PRINCIP

Bas

[tar upp H+]

Korresponderande syra

EXEMPEL

CN-

HCN

H+

EXEMPEL

Cyanidjon

Vätecyanid

Stark syra ger svag korresponderande bas och tvärtom! KEMA02 MJ 2012-11-08 7

Det finns annat än protoner...

11.2. Lewissyror och -baser

Lewis syra:

Elektronparacceptor

Exempel 1: H+ i HCl

H+ :

”accepterar” e-par

Exempel 2: Cu2+

Cu2+ + 6 NH3 Cu(NH3)62+

”NYA” DEFINITIONER

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-

Koppar(II)hexammin Järn(III)hydroxid

NYTT! Reaktioner som inte omfattar H+ - ”elektronperspektiv”

e-

KEMA02 MJ 2012-11-08 8

SURA OXIDER

- Bildar Brönsted syra i vatten

- Reagerar med baser

- Ickemetaller

- Ex) CO2 i vatten H2CO3

BASISKA OXIDER

- Bildar OH- i vatten

- Reagerar med syror

- Metaller (Alkali och alk.jordartsmet.)

- Ex) CaO i vatten Ca(OH)2 (s)

AMFOTERA OXIDER

- Reagerar både med syror och baser

- Övergångsmetaller – tom ca Al/Pb

diagonalen

- Ex) Al2O3

11.3. Sura, basiska och amfotera oxider Vi lever i en oxiderande miljö!

KEMA02 MJ 2012-11-08 9

Syra- och Basjämvikter - Definitioner

Ka = a(A-) × a(H3O+)

a(AH) × a(H2O)

[A-] × [H3O+]

[AH] ≈

Ka = a(BH+) × a(OH-)

a(B) × a(H2O)

[BH+] × [OH-]

[B] ≈

KEMA02 MJ 2012-11-08 10

11.4. Protonutbyte mellan vattenmolekyler

REAKTION

2 H2O H3O+ + OH-

OBS1! Mkt snabbt utbyte!

Diffusionskontrollerat – OK för korta avstånd – dock ej långa

OBS2! Jämvikten förskjuten långt åt vänster

dålig konduktivitet i rent vatten!

Kw = a(H3O+) a(OH-)

a(H2O)2

Kw

≈ [H3O+][OH-]

Kw = 1 x 10-14 M2 vid 25 oC pKw = 14

Nyckelfunktion för syra-bas beteende

KEMA02 MJ 2012-11-08 11

11.5, 11.6 pH- skalan och pOH

DEFINITIONER

pH = - log(a(H3O+)) ≈ - log [H3O

+]

pOH = - log(a(OH+)) ≈ - log [OH-]

[H3O+] = 10-pH

Anges lämpligen med 2 decimaler t.ex. pH 5.26

SAMBAND

pKw = pH + pOH

pOH = pKw – pH

Härledning: läs själva! (A 11.6)

KEMA02 MJ 2012-11-08 12

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 korresponderande 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 korresponderande 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]

KEMA02 MJ 2012-11-08 13

UR TABELL 11.1, 11.2 och 11.3 A&J Syra pKa Korr. bas pKb HClO2 2.00 ClO2

- 12.00 (= 14 – 1.95 HF 3.45 F- 10.83 (= 14 – 3.45) H2CO3 6.37 HCO3

- 7.63 NH4

+ 9.24 NH3 4.76

LÖSNING: Jämför pKa (eller pKb-värden!)

Hur vet man vad som är den starkaste syran/basen?

Lägst värde starkast syra!

Lägst värde starkast bas!

Ka = [A-] × [H3O+]

[AH]

pKa = -log Ka

2.00 Ka = 10-pKa = 10-2 = 0.01

4.00 Ka = 10-pKa = 10-4 = 0.0001

KEMA02 MJ 2012-11-08 14

”Vanliga pH”

TABELL 11.1 & 2 ”labkemikalier”

NaOH – caustic soda

pH

pOH

KEMA02 MJ 2012-11-08 15

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

KEMA02 MJ 2012-11-08 16

11.9. Syrastyrka periodicitet - Grupper

H-X Bindningsenergi och 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

http://www.vias.org/genchem/acidbase_equ_12591_06.html

H - X

STARK SYRA: H+ ”trillar lätt av”

Minskande H-X bindningsstyrka

Surare syra

minskande pKa

Syrastyrkan ökar neråt i grupperna i P.S.

KEMA02 MJ 2012-11-08 17

11.9. Syrastyrka periodicitet - Perioder

H-X Polaritet och pKa

pKa Elektronegativitet

(Pauling)

HF 3.17 3.98

H2O 15.7 3.44

NH3 38 3.04

pKa tabell: http://www2.lsdiv.harvard.edu/labs/evans/pdf/evans_pKa_table.pdf

H - X

STARK SYRA: H+ ”trillar lätt av”

Mer polariserad H-X

bindning

Surare syra minskande pKa

Syrastyrkan ökar åt höger

i perioderna i P.S.

KEMA02 MJ 2012-11-08 18

11.10. Oxosyror Syrastyrka och elektronegativitet

OXOSYROR Surt H+ bundet till O EXEMPEL: Karboxylsyror Svavelsyra Salpetersyra Fosforsyra Halogener-oxosyror

KEMA02 MJ 2012-11-08 19

Syrastyrka

Halogen - oxosyror

HClO4

HBrO4

HIO4

Elektro- negativitet

HClO3 HClO

Oxidationstal

Syrastyrka

Starka syror då 1) höga oxidationstal; X

2) hög elektronegativitet; X EFFEKT: försvagad H-O

bindning!

KEMA02 MJ 2012-11-08 20

Karboxylsyror

SYRASTYKA

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-

KEMA02 MJ 2012-11-08 21

Summering

TYPREAKTION EXEMPEL pH skalan

Syror deprotoneras HA + H2O A- + H3O+

Baser protoneras

B- + H2O HB + OH-

Saltsyra HCl Svavelsyra H2SO4

Perklor/bromsyra HClO4 HBrO4 Klor/bromsyra HClO3 HBrO3 Hypoklorit/bromitsyra HClO HBrO Fluorättiksyra ClCH2CO2H Ättiksyra CH3CO2H (HAc) Kolsyra H2CO3

Ammoniak NH3 Natriumhyroxid NaOH Magnesiumhydroxid Mg(OH)2

Kalciumoxid CaO

Natriumhydrid NaH* (*H2 avgår)

KEMA02 MJ 2012-11-08 22