XII. Zuur-base evenwichten · zuren zuursterkte ↑met lading metaalkation ↑en met grootte...
47
1 XII. Zuur-base evenwichten GEEN examenstof: WEL examenstof: opmerking onderaan op p XII-22 moleculaire structuur en zuursterkte (p XII-20 t.e.m. XII-26) aciditeitsconstanten: zie bijlage 4 Zuur/basetitratie is examenstof en staat niet expliciet in de cursus vermeld (slides 27-32)
-
Upload
nguyenkhuong -
Category
Documents
-
view
244 -
download
1
Transcript of XII. Zuur-base evenwichten · zuren zuursterkte ↑met lading metaalkation ↑en met grootte...
1
XII. Zuur-base evenwichten
GEEN examenstof:
WEL examenstof: opmerking onderaan op p XII-22
moleculaire structuur en zuursterkte (p XII-20 t.e.m. XII-26)
aciditeitsconstanten: zie bijlage 4
Zuur/basetitratie is examenstof en staat niet expliciet in de cursus vermeld (slides 27-32)
2
Brønsted-Lowry definitie
3
•zuur oplossen in H2O ⇒ instelling zuur-base evenwicht
•base oplossen in H2O ⇒ instelling zuur-base evenwicht
Brønstedzuur MOET minstens één zuur H-atoom bezitten
Brønstedbase MOET minstens één vrij elektronenpaar bezitten
H-A(aq) + H2O(ℓ) A:(aq) + H3O+(aq)
zuur base base zuur
:B(aq) + H2O(ℓ) H-B(aq) + HO−(aq)
zuurbase basezuur
geconjugeerd zuur/base paar: HA/A:
geconjugeerd zuur/base paar: H3O+/H2O
geconjugeerd zuur/base paar: HB/B:
geconjugeerd zuur/base paar: H2O/HO−
4
base zuur zuur base
geconjugeerd zuur/base paar: HCl/Cl−
geconjugeerd zuur/base paar: H3O+/H2O
protontransfer protontransferprotonacceptor protondonor protonacceptorprotondonor
HCl,a
evHCl
O3HClr KlnRT
c
cclnRTKlnRTG −=
×−=−=°∆
+−
dimensieloze TD K aciditeitsconstante Ka
numerieke waarde evenwichtsci (mol/ℓ)
pKa = −logKa is een maat voor de zuursterkte
Ka↑ of pKa↓ ⇒ zuursterkte↑
5
base zuur zuur base
geconjugeerd zuur/base paar: H2O/HO−
geconjugeerd zuur/base paar: MeN+H3/MeNH2
protontransfer protontransferprotonacceptor protondonor protonacceptorprotondonor
2MeNH,b
ev2MeNH
HO3MeNHr KlnRT
c
cclnRTKlnRTG −=
×−=−=°∆
−+
dimensieloze TD K basiciteitsconstante Kb
numerieke waarde evenwichtsci (mol/ℓ)
pKb = −logKb is een maat voor de basesterkte
Kb↑ of pKb↓ ⇒ basesterkte↑
6
Zuur-base eigenschappenwaterige oplossingen
7
( )2O2H
HOO3H
a
aaK
−+ ×=
H2O: oplosmiddel ⇒ aH2O = 1
autoprotolyseconstante van water
T = 25°C2 H2O(ℓ) H3O+(aq) + HO-
(aq)
∆H°r = + 56 kJ
∆G°r = +79.9 kJ
°∆−=×= −+RT
GexpccK r
ev,HOev,OHw3
Autoprotolyse van water
×−=×= −+
K15.298K/J314.8J79900
expccK ev,HOev,OHw3
14ev,HOev,OHw 10ccK
3
−− =×= +
8Kw: evenwichtsconstante autoprotolysereactie
2 H2O(ℓ) H3O+(aq) + HO-
(aq)
•zuiver water:
T = 25°C
•toevoegen van H3O+ (zuur)
bij T = 25 °C is K w = 10-14 ⇒ als (H3O+)↑ MOET (HO−)↓
•toevoegen van HO- (base)
bij T = 25°C is K w = 10-14 ⇒ als (HO−)↑ MOET (H3O+)↓
14ev,HOev,OHw 10ccK
3
−− =×= +
714ev,HOev,OH
1010cc3
−−− ===+
9
Zure, basische en neutrale oplossingen
zure oplossing
neutrale oplossing
basische oplossing
zure oplossing
neutrale oplossing
basische oplossing
Kw = 10-14 Kw = 10-14 Kw = 10-14
(H3O+) bepaalt zuur-base-eigenschappen waterige oplossing
10
pH-schaal en pOH-schaal+−=
O3HalogpH
)OH(logpH 3+−=
00.7)100.1(logpH 7 =×−= −
−−=HO
alogpOH
)HO(logpOH −−=
00.7)100.1(logpOH 7 =×−= −
−log Kw = −log (H3O+) − log(HO−)
pKw = pH + pOH = 14
•zuiver water, T = 25°C
•neutrale oplossing: (H3O+) = 10−7 ⇒ pH = 7
•zure oplossing: (H3O+) > 10−7 ⇒ pH < 7
•basische oplossing: (H3O+) < 10−7 ⇒ pH > 7
11
0pK 1;K aa <>>HA(aq) + H2O(l) A-(aq) + H3O+
(aq)
Sterke en zwakke zuren
0c ev,HA ≈ initieel,HAev,OHcc
3≈+
•Sterk zuur: volledig geïoniseerd in water
initieel,HOAcev,HA cc ≈
•Zwak zuur: gedeeltelijk geïoniseerd in water
14pK0 1;K10 aa-14 <<<<
HA(aq) + H2O(l) A-(aq) + H3O+
(aq)
100(HA)
)OH(100
(HA)
)HA(%ionisatie
initieel
ev3
initieel
dgeïoniseer ×=×=+
12
0pK 1;K bb <>>:B(aq) + H2O(l) HB(aq) + HO−(aq)
Sterke en zwakke basen
0c ev,B: ≈ initieel,B:ev,HOcc ≈−
•Sterke base: volledig geïoniseerd in water
initieel,B:ev,B: cc ≈
•Zwakke base: gedeeltelijk geïoniseerd in water
14pK0 1;K10 bb-14 <<<<
100(base)
)HO(100
(base)
)base(%ionisatie
initieel
ev
initieel
dgeïoniseer ×=×=−
:B(aq) + H2O(l) HB(aq) + HO−(aq)
13
)HA()A()OH(
K 3a
−+ ×=
w3ba K)HO()OH(KK =×=× −+
)A()HA()HO(
Kb −
− ×=
HAaq) + H2O(l) A-(aq) + H3O+
(aq)
2 H2O(l) H3O+(aq) + HO-
(aq)
sterkte geconjugeerde basesterkte zuur
A-(aq) + H2O(l) HA(aq) + HO-
(aq)
Relatie tussen Kb en Ka geconjugeerd zuur/basepaar
baw KKK ×= pKw = pKa + pKb = 14
Ka↑ of pKa↓ ⇒ zuursterkte↑ en basesterkte geconjugeerde base↓
Kb↑ of pKb↓ ⇒ basesterkte↑ en zuursterkte geconjugeerd zuur↓
14
Sterker zuur
Zwakker zuur
Zwakker basisch
Sterker basisch
100% ionisatie
gedeeltelijke ionisatie; bestaat in waterige oplossing als HA, H3O+ en A-
≅≅≅≅ 0% ionisatie
≅≅≅≅ 0% geprotoneerd
100% geprotoneerd
gedeeltelijk geprotoneerd; bestaat in waterige oplossing als B, HO- en BH+
Sterker zuur
Zwakker zuur
Zwakker basisch
Sterker basisch
100% ionisatie
gedeeltelijke ionisatie; bestaat in waterige oplossing als HA, H3O+ en A-
≅≅≅≅ 0% ionisatie
≅≅≅≅ 0% geprotoneerd
100% geprotoneerd
gedeeltelijk geprotoneerd; bestaat in waterige oplossing als B, HO- en BH+
sterkste zuur in water
sterkste base in water
Ka ↑ of pKa↓ ⇒ zuursterkte ↑
Kb↑ of pKb↓ ⇒ basesterkte ↑
pKw = pKa + pKb = 14 baw KKK ×=
15
4HF,a1 106.6KK −×==HF(aq) + H2O(ℓ) H3O+
(aq) + F−(aq)
HCN(aq) + HO−(aq)CN−
(aq) + H2O(ℓ)5
CN,b2 106.1KK −− ×==
HF(aq) + CN−(aq) HCN(aq) + F−
(aq)6
321 101.1KKKK ×==
610
4
HCN,a
HF,a
w
CN,bHF,atieneutralisa 101.1
1017.6106.6
K
K
K
KKK ×=
××=== −
−−
2 H2O(ℓ)HO−(aq) + H3O+
(aq)14
w3 10
K1
K ==
een zuur-base reactie in waterige oplossing verloopt steeds in de
richting waarin het zwakste zuur en de zwakste base gevormd wordt
evenwicht ligt volledig naar rechts
Neutralisatiereactie: zuur + base
16
pH van waterigeoplossingen van zouten
17
•waterige oplossing: zout gedissocieerd in ionen
NH4+
(aq) + Cl−(aq)NH4Cl(aq)
zuur-base eigenschappen ⇔ zuur-base eigenschappen X− en Y+
H2O protoneren: Ka Kb: proton opnemen van H2O
•waterige oplossing: ionen gehydrateerd
Al3+(aq) = [Al(H2O)6]3+
18
elektronen worden aangetrokken door Al3+
H-atoom wordt overgedragen aan H2O
elektronen worden aangetrokken door Al3+
H-atoom wordt overgedragen aan H2O
Gehydrateerde metaalkationen zijn zuren
zuursterkte↑ met lading metaalkation↑ en met grootte metaalkation↓
19
bijlage 4
sterkere protondonors dan
H2O
beïnvloeden pH
zwakkere protondonors dan
H2O
beïnvloeden pH niet
Zure metaalkationen pKa
sterk geladen metaalkationen
[Fe(H2O)6]3+ 2.46
[Cr(H2O)6]3+ 3.89
[Al(H2O)6]3+ 4.85
[Fe(H2O)6]2+ 5.89
[Cu(H2O)6]2+ 7.49
[Ni(H2O)6]2+ 9.03
Neutrale metaalkationen
groep 1 en 2 metaalkationen
[Li(H2O)6]+
[Na(H2O)6]+
[K(H2O)6]+
[Mg(H2O)6]2+
[Ca(H2O)6]2+
Met lading +1 [Ag(H2O)6]+
20
Zuur-base eigenschappen van zouten X+
(aq) + Y−(aq)XY(aq)
H2O protoneren: Ka Kb: proton opnemen van H2O
Zout gevormd door Ion met invloed op
pH
Voorbeeld pH
sterk zuur + sterke base geen NaCl =7 neutraal
sterk zuur + zwakke base zuur kation NH4Cl <7 zuur
zwak zuur + sterke base basisch anion NaCN >7 basisch
zwak zuur + zwakke base
kation/anion NH4CN <7 als Ka,kation >Kb,anion
NH4CO3 >7 als Ka,kation<Kb,anion
=7 als Ka,kation ≈ Kb,anion
klein, sterk geladen
metaalkation+anion van
sterk zuur
zuur gehydrateerd
kation
AlCl3 <7 zuur
21
Na+(aq) + CN−
(aq)NaCN(aq)
Kb,CN− = 1.6 × 10−5 >>> Ka,Na+ is extreem klein
Zout gevormd door neutralisatie zwak zuur + sterke base
zouten gevormd door neutralisatie van een zwak zuur met eensterke base geven aanleiding tot BASISCHE oplossingen
CN−(aq) + H2O(ℓ) HO−
(aq) + HCN(aq) Kb = 1.6 × 10−5
⇒ CN− beïnvloedt (HO−):
⇒ [HO−]ev bepalen uit protonering CN− (zie pH zwakke base)
Na+: neutraal
⇒ Na+ beïnvloedt (H3O+) niet
CN−: geconjugeerde base van HCN
HCN is zwak zuur ⇒ CN− is basisch
H2O protoneren: Ka Kb: proton opnemen van H2O
22
NH4+
(aq) + CN-(aq)NH4CN(aq)
Zout gevormd door neutralisatie zwak zuur + zwakke base
Ka,NH4+ = 5.6 × 10−10 <<< Kb,CN- = 1.6 × 10−5
9.0K
K
)CN()NH()HCN()NH(
KCN,a
NH,a
4
3 4 ==××=
−
+
−+
zouten gevormd door neutralisatie van een zwak zuur met een zwakke base geven aanleiding tot:
- ZURE oplossingen als Ka, kation > Kb,anion
- BASISCHE oplossingen als Ka, kation < Kb,anion
- NEUTRALE oplossingen als Ka, kation = Kb,anion
⇒ (H3O+)ev hangt af van evenwichtsligging neutralisatiereactie
⇒ (X+)ev en (Y−)ev bepalen uit K neutralisatiereactie
⇒ (H3O+)ev bepalen uit ionisatie van HX of van HY
zuursterkte NH4+ <<< basesterkte CN−
⇒ oplossing is basisch
NH3(aq) + HCN(aq)
H2O protoneren: Ka Kb: proton opnemen van H2O
23
Buffers
24
een bufferoplossing heeft als karakteristieke eigenschap dat
de pH van de oplossing slechts weinig verandert bij
toevoeging van zuur of base
Buffer: oplossing zwak zuur ÉN zijn geconjugeerde base
25
Zure en basische buffers
HCOOH(aq) + H2O(ℓ) HCOO-(aq) + H3O+
(aq) Ka = 1.77 × 10−4
NH4+
(aq) + H2O(ℓ) NH3(aq) + H3O+(aq) Ka = 5.6 × 10−10
HCOO-(aq) + H2O(ℓ) HCOOH(aq) + HO−
(aq) Kb = 5.65 × 10−11
•zure buffer: Ka > Kb ⇒ in oplossing netto-productie H3O+
•basische buffer: Ka < Kb ⇒ in oplossing netto-productie HO−
NH3(aq) + H2O(ℓ) NH4+
(aq) + HO−(aq) Kb = 1.8 × 10−5
voorbeeld: mierenzuur/formiaat buffer
voorbeeld: ammonium/ammoniak buffer
26
Werking bufferoplossing
HA(aq) + H2O(ℓ) A-(aq) + H3O+
(aq)
)A()HA(
K)OH( a3 −+ =
)HA()OH()A(
K 3a
+− ×=
bufferen = wijziging pH door toevoeging zuur of base beperken
bufferen = wijziging (H3O+)ev door toevoeging zuur of base beperken
•buffer + zuur: verbruik A− en vorming (HA) ⇒ (HA)/(A−)↑ ⇒ pH↓
•buffer + base: verbruik HA en vorming (A−) ⇒ (HA)/(A-)↓ ⇒ pH↑
zo klein mogelijke variatie in (H3O+) wordt verkregen als
(HA) en (A-) nagenoeg gelijk en redelijk groot zijn
27
Zuur-basetitratieis examenstof en staat niet expliciet in de cursus vermeld
28
+− =OHHO 3
nnequivalentiepunt
zuurzuurbasebase cVcV =
29
Titratie met sterke zuren/sterke basen
•Voor EP: pH van sterk zuur (a); sterke base (b)
•Bij EP: pH = 7
•Na EP: pH van sterke base (a); sterk zuur (b)
30
Titratie met zwakke zuren/zwakke basen
•Voor EP: pH uit (H3O+) via Ka (a); uit (HO-) via Kb (b)
•Bij EP: pH van zout
•Na EP: pH van sterke base (a); sterk zuur (b)
31
(HA) = (A−) ⇒ pH = pKa
( ) ( )initieelOHtoegevoegdHO 3
n21
n +− = ( ) ( )initieelHOtoegevoegdOH
n21
n3
−+ =
(:B) = (HB) ⇒ pH = 14 - pKb
32
buffergebied: pH = pKa ± 1
33
Polyprotische zuren
34•definitie: HnA
•zwakke polyprotische zuren
•sterke polyprotische zuren: H2SO4
•invloed pH op samenstelling evenwichtsmengsel
•fractionele samenstelling evenwichtsmengsel
•invloed pH
•zouten van polyprotische zuren
•HAn−: amfotere zouten
•An−: basische zouten
polyprotische zuren kunnen twee of meer H-atomen
afstaan aan water
•titratie van polyprotische zuren
35
Sterke polyprotische zurener is slechts één sterk polyprotisch zuur: H2SO4
)SOH()OH()HSO(
K42
341,a
+− ×=
2
4
324
2,a 102.1)HSO(
)OH()SO(K −
−
+−
×=×=
H2SO4(aq) + H2O (ℓ) → HSO4-(aq) + H3O+
(aq)
HSO4-(aq) + H2O (ℓ) SO4
2-(aq) + H3O+
(aq)
amfoteer
evenwicht ligt volledig naar rechts
ruwe benadering: pH zwavelzuuroplossing ≅ −log(H2SO4)o
zwak zuur
•1ste ionisatiestap:
•2de ionisatiestap:
invloed op (H3O+) niet verwaarloosbaar
36
Zwakke polyprotische zuren
H2CO3 (aq) + H2O (ℓ) HCO3-(aq) + H3O+
(aq)
HCO3-
(aq) + H2O (ℓ) CO32-
(aq) + H3O+(aq)
Ka,2 << Ka,1⇒ 2de ionisatiestap weinig invloed op (H3O+)
7
32
331,a 103.4
)COH()OH()HCO(
K −+−
×=×=
11
3
323
2,a 108.4)HCO(
)OH()CO(K −
−
+−
×=×=
Reactanten Producten
H2CO3 HCO3- H3O+
Ci,o 0.034 M 0.00 M ≅ 0 M
∆ci −x M + x M + x M
Ci,ev (0.034 – x) M (0 + x) M (0 + x) M
37
034.0x
)x034.0(x
103.4)COH(
)OH()HCO(K
227
32
331,a ≅
−=×=×= −
+−
•evenwicht 1ste ionisatiestap
⇒ x = 1.2 × 10-4 M
⇒ (H3O+)ev = (HCO3−)ev = 1.2 × 10-4 M en (H2CO3)ev = 0.034 M
Ka,2 << Ka,1 ⇒ 2de ionisatiestap weinig invloed op (H3O+)
38
•evenwicht 2de ionisatiestap
)102.1()102.1()CO(
108.4)HCO(
)OH()CO(K 4
42311
3
323
2,a −
−−−
−
+−
×××=×=×=
⇒ (CO32−)ev = 4.8 × 10-11 M
⇒ (CO32−)ev is numeriek gelijk Ka,2
39
onder welke vorm komt polyprotisch zuur voor in
evenwichtsmengsel als functie van pH van evenwichtsmengsel?
•waarom van belang voor polyprotische zuren?•monoprotisch zuur: HA(aq) + H2O(ℓ) H3O+
(aq) + A-(aq)
- pH beïnvloedt (HA)ev en (A-)ev
- als functie van pH HA en/of A- aanwezig
•polyprotisch zuur: H2A + H2O(ℓ) H3O+(aq) + HA-
(aq)
- pH beïnvloedt (H2A)ev, (HA-)ev en (A2-)ev
- als functie van pH ofwel H2A, ofwel HA- ofwel A2- aanwezig
HA-(aq) + H2O(ℓ) H3O+
(aq) + A2-(aq)
Invloed pH op samenstelling evenwichtsmengsel
40
+
−
=OH
1,a
COH
HCO
332
3
c
K
c
c
+−
−
=OH
2,a
HCO
CO
33
23
c
K
c
c
•bij lage pH: (H3O+) hoog ⇒ hoge concentratie van H2CO3
•bij hoge pH: (H3O+) laag ⇒ hoge concentratie van CO32-
•bij intermediaire pH: (H3O+) intermediair ⇒ hoge concentratie van HCO3-
7
COH
OHHCO1,a 103.4
c
ccK
32
33 −×==+−
11
HCO
OHCO2,a 108.4
c
ccK
3
32
3 −×==−
+−
H2CO3 (aq) + H2O (ℓ) HCO3-(aq) + H3O+
(aq)
HCO3-
(aq) + H2O (ℓ) CO32-
(aq) + H3O+(aq)
41Fractionele samenstelling evenwichtsmengsel als f(pH)
∑==α
ii
i
o
ii c
ccc αi: fractie i bij evenwicht
ci: concentratie i bij evenwicht
co: initiële concentratie polyprotisch zuur
)K,c(f i,aOHi3
+=α
42
−− ++=α
23332 COHCOCOH
ii ccc
c
+
−
=OH
1,a
COH
HCO
332
3
c
K
c
cH2CO3 (aq) + H2O (ℓ) HCO3
-(aq) + H3O+
(aq)
HCO3-
(aq) + H2O (ℓ) CO32-
(aq) + H3O+(aq)
−
−
−
−
−
−
++=α
3
23
3
3
3
32
3
HCO
CO
HCO
HCO
HCO
COH
HCO
i
i
c
c
c
c
c
c
cc
+−
−
=OH
2,a
HCO
CO
33
23
c
K
c
c
+
+
−
++=α
OH
2,a
1,a
OH
HCO
i
i
3
3
3
c
K1
K
c
cc
ev,COev,HCOev,COHo,COH 2333232
cccc −− ++=
43
2,a1,aOH1,a2
OH
2OH
COH KKcKc
c
33
3
32 ++=α
++
+
2,a1,aOH1,a2
OH
OH1,a
HCO KKcKc
cK
33
3
3 ++=α
++
+
−
2,a1,aOH1,a2
OH
2,a1,aCO KKcKc
KK
33
23 ++
=α++
−
44
Fra
ctie
pKa,1 pKa,2
(((( ))))2,a1,a pKpK21 ++++
Fra
ctie
pKa,1 pKa,2
(((( ))))2,a1,a pKpK21 ++++
Fra
ctie
pKa,1 pKa,2
(((( ))))2,a1,a pKpK21 ++++
Fra
ctie
pKa,1 pKa,2
(((( ))))2,a1,a pKpK21 ++++
37.6pK
103.4K
1,a
71,a
=
×= −
32.10pK
108.4K
a
112,a
=
×= −
pH < pKa,1 pH > pKa,2
45
Zouten van polyprotische zuren
HS−(aq) + H2O (ℓ) S2−
(aq) + H3O+(aq)
HS−(aq) + H2O (ℓ) H2S(aq) + HO−
(aq)
1532
2,a 101.7)HS(
)OH()S(K −
−
+−
×=×=
7
1,a
w21,b 101.1
KK
)HS()SH()HO(
K −−
−
×==×=
•HX− zijn amfoteer
( )2,a1,a pKpK21
pH +=
•Xn− zijn basisch
PO43−
(aq) + H2O (ℓ) HPO42−
(aq) + HO−(aq)
2
3,a
w34
24
3,b 105.4KK
)PO(HPO)HO(
K −−
−−
×==×=
⇒ (HO-)ev bepalen uit protonering PO43−
46
Titratie van polyprotische zuren
47
belangrijke vaardigheden
•bepalen relatieve zuur/basesterkte in een reeks verbindingen aan de hand van Ka (pKa) waarden
•bepalen in welke richting een zuur/base reactie doorgaat
•berekenen van de pH van een waterige oplossing van zuren en basen
•classificeren van oplossingen van zouten als zuur/basisch/neutraal
•berekenen van de pH van waterige oplossingen van zouten
•berekenen van de pH van waterige oplossingen van polyprotische zuren
•bepalen invloed pH op samenstelling evenwichtsmengsel polyprotischezuren
•berekenen pH van waterige oplossingen van zouten van polyprotische zuren
•berekenen pH = f(toegevoegd volume) bij titratie
