Stężenia kwasów i zasad

Kwasy i zasady

Kwas Arrheniusa wytwarza jony wodorowe, gdy jest rozpuszczony w wodzie:

HA + H₂O → H⁺_(aq) + A^-_(aq)

Tutaj HA jest niezdysocjowanym kwasem, H⁺ jest kationem wodoru, a A^- jest solwatowanym anionem - zwanym sprzężoną zasadą. Baza Arrheniusa wytwarza jony wodorotlenkowe po rozpuszczeniu w wodzie:

BOH + H₂O → B⁺_(aq) + OH^-_(aq)

Tutaj BOH jest niezdysocjowaną zasadą, OH^- to jon wodorotlenkowy, a B⁺ to solwatowany kation - zwany sprzężonym kwasem. Sprzężona zasada powstaje, gdy kwas traci jon wodorowy i ma potencjał do uzyskania wodoru. To samo dotyczy sprzężonego kwasu, który powstaje, gdy zasada traci grupę hydroksylową i ma potencjał do jej odzyskania. Każdy kwas ma sprzężoną zasadę, a każda zasada ma sprzężony kwas.

ph

pH jest stopniem kwasowości roztworu i jest miarą ilości jonów wodorowych w roztworze. Skala pH jest logarytmiczna i mieści się w zakresie od 0 do 14; roztwory wodne o pH poniżej 7 są opisywane jako kwaśne, a roztwory wodne o pH powyżej 7 są opisywane jako zasadowe lub zasadowe. Roztwory o pH 7 są uważane za obojętne.

pH roztworu jest równe ujemnej podstawie logarytmicznej dziesięciu stężenia jonów wodorowych w roztworze.

Woda silnie oddziałuje z jonem wodorowym, ponieważ jej silny ładunek dodatni przyciąga ujemny biegun otaczających cząsteczek wody. W rzeczywistości oddziałują tak silnie, że tworzą wiązanie kowalencyjne i kation_H3O⁺, zwany hydroniowym. Powyższe równanie zostało przepisane, aby to odzwierciedlić.

Dla uproszczenia, omawiając pH, będziemy odnosić się do stężenia jonów wodorowych zamiast jonów hydroniowych. Im niższa wartość pH roztworu, tym więcej obecnych jest jonów wodorowych, a co za tym idzie, tym bardziej kwaśny roztwór. Na przykład pH 1 mM kwasu siarkowego wynosi 2,75, podczas gdy pH 1 mM kwasu solnego wynosi 3,01. Stężenie jonów wodorowych w roztworze kwasu siarkowego oblicza się jako 1 × ^10-2,75, natomiast stężenie jonów wodorowych w roztworze kwasu solnego wynosi 1 × ^10-3,01. W związku z tym w kwasie siarkowym znajduje się więcej jonów wodorowych i jest on bardziej kwaśny. Pamiętaj, że nawet jeśli pH dwóch roztworów może różnić się zaledwie o pół wartości pH, ze względu na logarytmiczny charakter skali pH, ilość wodoru jest bardzo zróżnicowana.

Moc kwasów i zasad

Na moc kwasu ma wpływ elektroujemność sprzężonej zasady i polarność kwaśnego wodoru. Siła odnosi się zatem do tego, jak łatwo kation wodoru (H⁺) odłącza się od anionu. Mocne kwasy i zasady dysocjują całkowicie w roztworach wodnych, podczas gdy słabe kwasy i zasady dysocjują tylko częściowo na sprzężone jony.

Stała dysocjacji,_Kä, reprezentuje moc kwasu. K_a oblicza się na podstawie stężeń niezdysocjowanego kwasu HA oraz stężeń kationów wodoru i sprzężonej zasady A^-. Wyższe wartości K_a reprezentują mocniejsze kwasy, podczas gdy mniejsze wartości K_a reprezentują słabsze kwasy.

K_a jest liczbowo bardzo małe i często jest podawane w postaci_{pK a}, która jest ujemną podstawą logarytmiczną dziesięć K_a. Niższe wartości pK_a odpowiadają mocniejszemu kwasowi, podczas gdy wyższe wartości pK_a odpowiadają słabszemu kwasowi.

Niektóre kwasy dysocjują tylko jeden jon wodorowy i dlatego mają wartość jednego_{pK a}. Kwasy te nazywane są kwasami monoprotonowymi. Jednak niektóre kwasy mogą dysocjować więcej niż jeden jon wodorowy i nazywane są poliprotokami. Kwasy te mają wartość_{pK a} dla każdej dysocjacji jonów wodorowych.

pK_a można również wykorzystać do obliczenia pH równowagi reakcji kwasowo-zasadowej, jak pokazano w równaniu Hendersona-Hasselbalcha.

Równanie Hendersona-Hasselbalcha służy do obliczania pH, gdy znane są stężenia sprzężonej zasady i słabego kwasu, lub do obliczania_{pK a}, jeśli pH i stężenia są znane.

Miareczkowanie

Reakcje kwasowo-zasadowe są badane ilościowo za pomocą miareczkowania. W eksperymencie miareczkowania roztwór o znanym stężeniu, zwany roztworem wzorcowym, służy do określenia stężenia innego roztworu. W przypadku miareczkowania kwasowo-zasadowego standaryzowany roztwór zasady powoli dodaje się do kwasu o nieznanym stężeniu (lub kwas dodaje się do zasady). Reakcja kwasowo-zasadowa jest reakcją neutralizacji, w wyniku której powstaje sól i woda. Gdy mole jonów wodorowych w kwasie są równe molom jonów hydroksylowych dodanych z zasady, roztwór osiąga neutralne pH.

Aby przeprowadzić miareczkowanie kwasowo-zasadowe, standaryzowaną zasadę powoli dodaje się do kolby mieszającej nieznanego kwasu za pomocą biurety, co umożliwia pomiar objętości i kroplowe dodawanie zasady. pH roztworu jest ściśle monitorowane przez cały czas miareczkowania za pomocą wskaźnika pH dodawanego do kwasu. Zazwyczaj stosuje się fenoloftaleinę, ponieważ roztwór pozostaje bezbarwny, dopóki nie stanie się zasadowy, zmieniając kolor na jasnoróżowy.

Gdy miareczkowanie zbliża się do punktu równoważnikowego, czyli gdy mole jonów wodorowych są równe molom dodanych jonów hydroksylowych, wskaźnik pH tymczasowo zmienia kolor z powodu nadmiaru jonów hydroksylowych. Gdy kolba jest wirowana, powraca kwaśny kolor wskaźnika pH. Miareczkowanie jest zakończone i osiągnęło punkt końcowy, gdy niewielki nadmiar jonów hydroksylowych trwale zmienia wskaźnik na jego podstawowy kolor.

Krzywa miareczkowania jest wykresem pH roztworu w funkcji objętości dodanej standaryzowanej zasady. Punkt równoważnikowy znajduje się w punkcie przegięcia krzywej i jest obliczany jako druga pochodna krzywej miareczkowania.

Jeśli kwas jest poliprotyczny, będzie miał wiele punktów równoważności, po jednym dla każdej dysocjacji jonów wodorowych. pH w połowie drogi do punktu równoważnikowego dla kwasów monoprotonowych lub między punktami równoważności w przypadku kwasów poliprotonowych jest równe pK_a kwasu.

Odwołania

1. Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). Chemia i reaktywność chemiczna. Belmont, Kalifornia: Brooks/Cole, Cengage Learning.
2. Silberberg, M.S. (2009). Chemia: molekularna natura materii i zmiana. Boston, Massachusetts: McGraw-Hill.
3. Harris, D.C. (2015). Ilościowa analiza chemiczna. Nowy Jork, NY: W.H. Freeman and Company.

Kwas Arrheniusa to substancja, która wytwarza jony wodorowe, gdy rozpuszcza się w wodzie, podczas gdy zasada wytwarza jony wodorotlenkowe. Jony wodorowe natychmiast reagują z wodą, tworząc jony hydroniowe, ale dla uproszczenia będziemy nadal myśleć o nich jako o jonach wodorowych. W zależności od ilości jonów wodorowych lub jonów wodorotlenkowych w roztworze uważa się go za kwaśny lub zasadowy.

Wielkość kwasowości lub zasadowości mierzymy za pomocą pH, które oblicza się jako ujemny logarytm stężenia jonów wodorowych. Tak więc wartości pH poniżej 7 są kwaśne, a wartości pH powyżej 7 są zasadowe. pH 7 jest neutralne.

Kwasy i zasady są również porównywane na podstawie ich mocy, która różni się od ich pH. Siła kwasu jest związana z tym, jak łatwo jon wodorowy dysocjuje od anionu, zwanego sprzężoną zasadą. Ta sama idea wynika z zasady w odniesieniu do jonu wodorotlenkowego i jego sprzężonego kwasu. Możemy przypisać wartość do tej siły za pomocą stałej dysocjacji kwasu, czyli K_a.

K_a definiuje się za pomocą stężeń niezdysocjowanego kwasu oraz zdysocjowanych jonów wodorowych i sprzężonej zasady. Często możesz zobaczyć tę relację reprezentowaną jako pK_a, która jest po prostu ujemnym logarytmem K_a. Im mniejsze pK_a, tym silniejszy kwas.

Niektóre kwasy, takie jak kwas solny, są monoprotyczne, co oznacza, że mogą dysocjować tylko jeden jon wodorowy. Kwasy poliprotonowe, podobnie jak kwas fosforowy, mogą dysocjować kilka jonów wodorowych. Każda dysocjacja ma swoje własne pK_a.

Jak więc możemy określić pK_a? Jednym ze sposobów jest wykonanie miareczkowania kwasowo-zasadowego. Miareczkowanie przeprowadza się poprzez powolne dodawanie roztworu o znanym stężeniu do roztworu o nieznanym stężeniu, obserwując reakcję między nimi. W tym przypadku kwas reaguje z zasadą w reakcji neutralizacji, tworząc sól i wodę.

Tak więc, jeśli chcemy zmierzyć stężenie jonów wodorowych w kwasie, możemy po prostu miareczkować mocną zasadą o znanym stężeniu jonów wodorotlenkowych, aż kwas zostanie zneutralizowany. Aby dokładnie przeprowadzić miareczkowanie, zasada musi być znormalizowana — co oznacza, że znasz dokładne stężenie jonów wodorotlenkowych. Nie zawsze jest to proste.

Na przykład NaOH, którego użyjesz w swoim eksperymencie, jest bardzo higroskopijny, co oznacza, że pochłania wodę z atmosfery. Dzieje się tak z NaOH zarówno w postaci stałej, jak i w roztworze. Tak więc rzeczywiste stężenie roztworu NaOH może być niższe niż można by się spodziewać.

Aby określić dokładne stężenie NaOH, musimy najpierw wykonać miareczkowanie kwasowo-zasadowe. Aby to zrobić, musisz użyć zasady do miareczkowania kwasu o znanym stężeniu. Wodoroftalan potasu, KHP, jest kwasem niehigroskopijnym, więc możemy dokładnie obliczyć jego stężenie na podstawie jego masy.

Możemy zobaczyć, kiedy miareczkowanie jest zakończone - co oznacza, że kwas jest neutralizowany - za pomocą wskaźnika pH, takiego jak fenoloftaleina. Fenoloftaleina jest obojętna i bezbarwna w zakresie od pH około 0 do pH 8.

Wraz ze wzrostem pH dysocjują dwa jony wodorowe. Ta anionowa forma jest różowa. Tak więc, kiedy rozpoczynamy miareczkowanie, roztwór KHP jest kwaśny, a fenoloftaleina jest bezbarwna. Gdy dodajemy NaOH, a jony wodorowe są neutralizowane, pH wzrasta.

W tej reakcji roztwór jest obojętny, gdy równe ilości kwasu i zasady zostały zmieszane ze sobą. Następnie dodanie nieco większej ilości NaOH sprawia, że pH jest zasadowe, a roztwór zmienia kolor na różowy. Nazywa się to punktem końcowym. Jeśli znamy mole KHP i objętość NaOH użytej do jego neutralizacji, możemy obliczyć dokładne stężenie zasady.

Gdy mamy już znormalizowaną zasadę, możemy określić pK_a kwasu, miareczkując znane stężenie kwasu za pomocą naszej znormalizowanej zasady, jednocześnie monitorując pH. Wykres pH w funkcji objętości dodanej zasady nazywany jest krzywą miareczkowania. Krzywa zwykle ma kształt litery S lub sigmoidalny, gdzie punkt przegięcia najbardziej stromej części krzywej oznacza punkt równoważności.

Tutaj mole jonów wodorotlenkowych i zdysocjowanych jonów wodorowych są równe. Podobnie jak pK_a, zobaczymy jeden punkt równoważnikowy dla każdego zdysocjowanego jonu wodorowego. Tak więc kwas monoprotonowy ma tylko jeden punkt równoważności, a kwas triprotonowy ma trzy.

Kiedy wykonamy miareczkowanie, będziemy wiedzieć, że przekroczyliśmy punkt równoważnikowy, gdy wskaźnik pH ledwo zmienia kolor z bezbarwnego na różowy. Nazywa się to punktem końcowym miareczkowania. Podobnie jak wtedy, gdy standaryzujemy zasadę, dzieje się tak, gdy roztwór ma niewielki nadmiar jonów wodorotlenkowych, a zatem jest lekko zasadowy.

Kolejny punkt przegięcia na wykresie występuje w połowie drogi do punktu równoważności. Tutaj stężenia kwasów zdysocjowanych i niezdysocjowanych są równe. Zatem pH w tym momencie jest równe pK_a. Tak więc, jeśli wykonamy miareczkowanie i wyznaczymy objętość punktu równoważnikowego, to możemy obliczyć pK_a jako pH przy połowie tej objętości.

W tym laboratorium najpierw ustandaryzujesz zasadę, a następnie wykonasz miareczkowanie przy użyciu tej znormalizowanej zasady, aby oznaczyć dwa pK_a kwasu poliprotonowego.