Hapot ja emäkset
Happo- ja emästeorioita on useampia, kuten Brönsted teoria, arrheniuksen teoria ja Lewisin teoria. Arheniuksen teoriassa happo on aine joka luovuttaa vesiliuokseen vetyioneja ja emäs taasen hydroksidi ioneja, mutta teoria ei ota kantaa niiden suhteellisiin osuuksiin. Tässä katsauksessa tarkastelemme Brönstedin teoriaa, jossa happo on aine joka luovuttaa protonin emäkselle ja muuttuu näin itse hapoksi.
Hapot ja emäkset ovat siis protolyyttejä. Brönsted happo on aine joka luovuttaa H+ protonin ja emäs on aine joka vastaanottaa H+ protonin. Happojen ja emästen reaktioissa on siis kyse protonin siirtoreaktioista. Reaktioissa on aina happo ja emäs samaan aikaan, koska tarvitaan vastaanottaja ja luovuttaja. Reaktiot tapahtuvat usein vedessä ja itse vesikin voi toimia protolyyttinä. Vesi on lisäksi ampfolyyttinen eli se voi toimia joko happona tai emäksenä.
Vahvat protolyytit protolysoituvat lähes täydellisesti
Ja heikot vain osittain esim karboksyylihap. ja am.
Huomaa että reaktiossa tapahtuu monenlaisia reaktioita. Tässä esimerkki suolahapon eli vetykloridiliuoksen reaktioissa. Kun vesi toimii amfolyyttinä niin sekin usein reaktioissa mukana toimimassa.
HAPON JA EMÄKSEN REAKTIOT JA TASAPAINO, SEKÄ HAPPOVAKIO
Eli tasapaino- ja ja happovakiot poikkeavat toisistaan siten että happovakioon on sisällytetty jos veden vaikutus. Happo ja emäsvakiot = mol/l
Suuri happovakio eli Ka = yli 1, niin reaktio on tuotteiden puolella ja kyseessä vahva happo.
Suuri emäsvakio eli Kb = yli 1, niin reaktio on lopputuotteiden puolella ja kyseessä vahva emäs.
Joskus oksoniumionia voidaan merkitä vain H+ vaikka se tosiaan on se H3O+, eli siis se ei ole pelkkä protoni. Näin ollen happovakion lauseke ja reaktioyhtälö voidaan antaa muodossa:
Veden autoprotolyysi ja ionitulo
Veden autoprotolyysissä vesi toimii sekä happona että emäksenä, muodostaen pikkasen seokseen hydroksidi- ja oksoniumioneja, jotka ovat siis hyvin pieniä määriä, eli tasapaino on lähtöaineiden puolella. Veden ionitulon lauseke Kw = [OH -] [H3O+] = 1,0 · 10-14(mol/dm3)2
Happovakion ja emäsvakion välinen yhteys
Jos tiedetään happovakio, niin voidaan laskea sitä vastaava emäsvakio Kw:n eli veden ionitulon kautta. Mitä vahvempi on happo/emäs, niin sitä heikompi on vastin happo/emäs. Vahvoilla hapoilla/emäksillä vastin happo/emäs on niin heikko, että se ei käytännössä protolysoidu ollenkaan.
logaritmiset muodot tälle ovat:
Negatiivinen logaritmi Ka:sta = pKa ja toiseen suuntaan 10 potenssin negatiivinen pKa.
Yksikkönä mol/l
Moniarvoiset hapot
Moniarvoisiet hapot voivat luovuttaa useampia protoneita H+.
suolahappo
rikkihappo
fosforihappo
pH ja sen laskeminen
pH:n laskemiseen tarvitaan oksonium- tai hydroksidi-ioni konsentraatiota. Elikkä pH on siis oksoniumionikonsentraatio logaritmiselle taulukolle vietynä, koska itse oksoniumioni konsentraatiot ovat hiton pieniä, joten ne on ihmiselle haastavia ajatella.
Neutraalissa liuoksessa hydroksidi ja oksoniumioni konsentraatiot ovat samoja eli , kun taas happamassa liuoksessa oksonoim-ioni konsentraatio suurempi, kuin neutraali
ja emäksisessä oksoniumionikonsentraatio on pienempi, kuin neutraalin rajan.
pH = -log(H3O+) ja pOH = -log(OH) ---> pH + pOH = pKw = 14
Kaikki missä on joku p-edessä, on logaritmiselle asteikolle vietyjä.
Kun pH nousee yhden pykälän, niin se tarkottaa että oksoniumionimäärä kasvaa
Esim 5.22 Tehtävä 5.22 vastaus
Esim 5.31 Tehtävä 5.31 vastaus
Hendersson-Hasselbalch yhtälö HH
Menetelmä jolla voidaan arvioida erityisesti puskuriliuoksen pH
jos tiedetään happovakio Ka ja konsentraatiot.
Vahvat ja heikot hapot, sekä emäkset
Vahvoilla hapoilla ja emäksillä täydellinen protolyysi ja syntynyt vastin emäs ei enään sido itseensä protonia takas vesiliuoksessa eli vahvan hapon vastin emästä ei tarvitse huomioida koska se käyttäytyy neutraalisti. pH ei vaikuta siihen kuinka suuri osa on protolysoitunut. Natriumhydroksidin protolysoitumisessa NaOH dissosioituu täydellisesti, eli varsinaista protolyysiä ei ole, vaan kyseessä on OH-ionin liukeneminen suolastaan.
Heikkojen hapoilla ja emäksillä tapahtuu osittain protolysoituminen, jonka laskemisessa on kaksi mahdollisuutta. Protolysoitumisaste, joka kuvastaa sitä että montako prosenttia on protolysoitunut eli a = c/c0. Toisaalta voidaan laskea myös happovakion Ka tai emäsvakion avulla Kb, jolloin tarvitaan toisen asteen yhtälöä. Eli jos on orgaaninen molekyyli tms. lääkemolekyyli niin laske pH happo-/emäsvakion kautta toisen asteen yhtälöllä.
Protolysoituneen heikon hapon vastin emäs sen sijaan käyttäytyvät siis emäksenä, näitä ovat esimerkiksi hydroksidi-, asetaatti- ja karbonaatti-ionit. Jos anionissa on jäljellä happamia protoneja esim., niin se voi toimia happona tai emäksenä.
Protolysoituneen heikon emäksen vastin happo käyttäytyy sen sijaan siis happona, kuten ammonium NH4⁺-ionit. Metallikationit, joita jää usein suoloista tai myös esim vahvasta emäksestä eli Na, K, Mg, Ca, eli 1 ja 2 ryhmän alkali- ja maa-alkalimetaalit, niin ne ovat puolestaan neutraaleja.
Yhteenvetotaulukko:
Kun katsot suolan ominaisuuksia, niin hajota se ja katso mistä yhdisteistä se koostuu ja päättele olisiko se hapan vai emäksinen. Esim. NaCl on neutraali, koska siinä on neutraaleja kationeja ja anionieja. NH4Cl on hapan, koska siinä on hapan NH4⁺-ioni ja neutraali Cl⁻-ioni.
KH2PO4 eli kaliumvetyfosfaatissa kalium ei osallistu protoninsiirtoreaktioihin, joten H2PO4 osallistuu ja on siis hapan, kun taas K2HPO4:ssä eli dikaliumvetyfosfaatissa voi vetyfosfaatti toimia happona tai emäksenä, riippuen muista olosuhteista. Jos happovakio Ka on suurempi kuin emäsvakio Kb, niin se toimii happona, eli siis luovuttaa H⁺. Jos taas toisinpäin, niin se toimii emäksenä eli vastaanottaa protonin vedeltä ja siis toimii emäksenä.
Aminohapot
Aminohapot esiintyvät usein kahtaisionimuodossa liuoksen ollessa neutraali. Liuoksen ollessa hapan, niin aminohapon karboksyylihappo esiintyy happomuodossa ja jos se on voimakkaan emäksisessä liuoksessa, niin aminoryhmä menettää protoninsa. Aminohapon amidiryhmä ei ole hapan eikä emäksinen.
Ionisoitumisprosentti
Neutraloituminen
Yleensä HAPPO + EMÄS -> SUOLA + VESI, mutta poikkeuksiakin löytyy.
Oksonium ja hydroksidi-ionit muodostavat vettä
Neutraloitumisreaktiot menevät yleensä loppuun asti. Mikäli liuokseen jää hydroksidi tai oksoniumioneja, niin liuos ei ole neutraali. Neutraloitumistehtävissä kirjoitetaan hapon ja emäksen dissosioitumisreaktiot ja lasketaan hydoksidi ja oksoniumioni ainemäärät, joista jäljelle jäävä muodostaa pH:n.
Neutraloitumistehtävä video 9/1 1h3min nauhota
Esim: Titrattaessa HCl:ää NaOH:lla tapahtuu seuraavanlainen reaktio
HCl(aq) + NaOH(aq) NaCl(aq) + H2O
Kun tiedetään että HCl:n vesiliuoksessa on H3O+- ja Cl–-ioneja ja NaOH liuoksessa on Na+- ja OH–-ioneja, niin oksonium ja hydroksidi ionit kumuoavat toisensa synnyttäen vettä, jolloin liuoksen ekvivalentti on kohdassa 7. H3O+ + OH– 2 H2O. Tällöin natrium ja kloridi ionit ovat vähän niinkuin sivusta katsojia ja muodostavat sitten aikansa kuluksi NaCl- joka kiteytyy kun vesi poistetaan.
Mahahapon neutralointi
Koska happovakiot ja protolyytti-ionien konsentraatiot ovat niin pieniä niin siksi niille on logaritminen p-muoto.
Jos pitää selvittää hydroksidi-ioni konsentraatio ja on käytössä vaan oksoniumioni konsentraatio, niin käteväsi Kw toimii peilinä eli veden ionitulo.
Moniarvoisten protolyyttien jokaiselle protolysoitumiselle on oma Ka tai Kb arvonsa.
Hapot ja emäkset ovat siis protolyyttejä. Brönsted happo on aine joka luovuttaa H+ protonin ja emäs on aine joka vastaanottaa H+ protonin. Happojen ja emästen reaktioissa on siis kyse protonin siirtoreaktioista. Reaktioissa on aina happo ja emäs samaan aikaan, koska tarvitaan vastaanottaja ja luovuttaja. Reaktiot tapahtuvat usein vedessä ja itse vesikin voi toimia protolyyttinä. Vesi on lisäksi ampfolyyttinen eli se voi toimia joko happona tai emäksenä.
Vahvat protolyytit protolysoituvat lähes täydellisesti
Ja heikot vain osittain esim karboksyylihap. ja am.
Huomaa että reaktiossa tapahtuu monenlaisia reaktioita. Tässä esimerkki suolahapon eli vetykloridiliuoksen reaktioissa. Kun vesi toimii amfolyyttinä niin sekin usein reaktioissa mukana toimimassa.
HAPON JA EMÄKSEN REAKTIOT JA TASAPAINO, SEKÄ HAPPOVAKIO
Eli tasapaino- ja ja happovakiot poikkeavat toisistaan siten että happovakioon on sisällytetty jos veden vaikutus. Happo ja emäsvakiot = mol/l
Suuri happovakio eli Ka = yli 1, niin reaktio on tuotteiden puolella ja kyseessä vahva happo.
Suuri emäsvakio eli Kb = yli 1, niin reaktio on lopputuotteiden puolella ja kyseessä vahva emäs.
Joskus oksoniumionia voidaan merkitä vain H+ vaikka se tosiaan on se H3O+, eli siis se ei ole pelkkä protoni. Näin ollen happovakion lauseke ja reaktioyhtälö voidaan antaa muodossa:
Veden autoprotolyysi ja ionitulo
Veden autoprotolyysissä vesi toimii sekä happona että emäksenä, muodostaen pikkasen seokseen hydroksidi- ja oksoniumioneja, jotka ovat siis hyvin pieniä määriä, eli tasapaino on lähtöaineiden puolella. Veden ionitulon lauseke Kw = [OH -] [H3O+] = 1,0 · 10-14(mol/dm3)2
Happovakion ja emäsvakion välinen yhteys
Jos tiedetään happovakio, niin voidaan laskea sitä vastaava emäsvakio Kw:n eli veden ionitulon kautta. Mitä vahvempi on happo/emäs, niin sitä heikompi on vastin happo/emäs. Vahvoilla hapoilla/emäksillä vastin happo/emäs on niin heikko, että se ei käytännössä protolysoidu ollenkaan.
logaritmiset muodot tälle ovat:
Negatiivinen logaritmi Ka:sta = pKa ja toiseen suuntaan 10 potenssin negatiivinen pKa.
Yksikkönä mol/l
Moniarvoiset hapot
Moniarvoisiet hapot voivat luovuttaa useampia protoneita H+.
suolahappo
rikkihappo
fosforihappo
pH ja sen laskeminen
pH:n laskemiseen tarvitaan oksonium- tai hydroksidi-ioni konsentraatiota. Elikkä pH on siis oksoniumionikonsentraatio logaritmiselle taulukolle vietynä, koska itse oksoniumioni konsentraatiot ovat hiton pieniä, joten ne on ihmiselle haastavia ajatella.
Neutraalissa liuoksessa hydroksidi ja oksoniumioni konsentraatiot ovat samoja eli , kun taas happamassa liuoksessa oksonoim-ioni konsentraatio suurempi, kuin neutraali
ja emäksisessä oksoniumionikonsentraatio on pienempi, kuin neutraalin rajan.
pH = -log(H3O+) ja pOH = -log(OH) ---> pH + pOH = pKw = 14
Kaikki missä on joku p-edessä, on logaritmiselle asteikolle vietyjä.
Kun pH nousee yhden pykälän, niin se tarkottaa että oksoniumionimäärä kasvaa
Esim 5.22 Tehtävä 5.22 vastaus
Esim 5.31 Tehtävä 5.31 vastaus
Hendersson-Hasselbalch yhtälö HH
Menetelmä jolla voidaan arvioida erityisesti puskuriliuoksen pH
jos tiedetään happovakio Ka ja konsentraatiot.
Vahvat ja heikot hapot, sekä emäkset
Vahvoilla hapoilla ja emäksillä täydellinen protolyysi ja syntynyt vastin emäs ei enään sido itseensä protonia takas vesiliuoksessa eli vahvan hapon vastin emästä ei tarvitse huomioida koska se käyttäytyy neutraalisti. pH ei vaikuta siihen kuinka suuri osa on protolysoitunut. Natriumhydroksidin protolysoitumisessa NaOH dissosioituu täydellisesti, eli varsinaista protolyysiä ei ole, vaan kyseessä on OH-ionin liukeneminen suolastaan.
Heikkojen hapoilla ja emäksillä tapahtuu osittain protolysoituminen, jonka laskemisessa on kaksi mahdollisuutta. Protolysoitumisaste, joka kuvastaa sitä että montako prosenttia on protolysoitunut eli a = c/c0. Toisaalta voidaan laskea myös happovakion Ka tai emäsvakion avulla Kb, jolloin tarvitaan toisen asteen yhtälöä. Eli jos on orgaaninen molekyyli tms. lääkemolekyyli niin laske pH happo-/emäsvakion kautta toisen asteen yhtälöllä.
Protolysoituneen heikon hapon vastin emäs sen sijaan käyttäytyvät siis emäksenä, näitä ovat esimerkiksi hydroksidi-, asetaatti- ja karbonaatti-ionit. Jos anionissa on jäljellä happamia protoneja esim., niin se voi toimia happona tai emäksenä.
Protolysoituneen heikon emäksen vastin happo käyttäytyy sen sijaan siis happona, kuten ammonium NH4⁺-ionit. Metallikationit, joita jää usein suoloista tai myös esim vahvasta emäksestä eli Na, K, Mg, Ca, eli 1 ja 2 ryhmän alkali- ja maa-alkalimetaalit, niin ne ovat puolestaan neutraaleja.
Yhteenvetotaulukko:
Kun katsot suolan ominaisuuksia, niin hajota se ja katso mistä yhdisteistä se koostuu ja päättele olisiko se hapan vai emäksinen. Esim. NaCl on neutraali, koska siinä on neutraaleja kationeja ja anionieja. NH4Cl on hapan, koska siinä on hapan NH4⁺-ioni ja neutraali Cl⁻-ioni.
KH2PO4 eli kaliumvetyfosfaatissa kalium ei osallistu protoninsiirtoreaktioihin, joten H2PO4 osallistuu ja on siis hapan, kun taas K2HPO4:ssä eli dikaliumvetyfosfaatissa voi vetyfosfaatti toimia happona tai emäksenä, riippuen muista olosuhteista. Jos happovakio Ka on suurempi kuin emäsvakio Kb, niin se toimii happona, eli siis luovuttaa H⁺. Jos taas toisinpäin, niin se toimii emäksenä eli vastaanottaa protonin vedeltä ja siis toimii emäksenä.
Aminohapot
Aminohapot esiintyvät usein kahtaisionimuodossa liuoksen ollessa neutraali. Liuoksen ollessa hapan, niin aminohapon karboksyylihappo esiintyy happomuodossa ja jos se on voimakkaan emäksisessä liuoksessa, niin aminoryhmä menettää protoninsa. Aminohapon amidiryhmä ei ole hapan eikä emäksinen.
Ionisoitumisprosentti
Neutraloituminen
Yleensä HAPPO + EMÄS -> SUOLA + VESI, mutta poikkeuksiakin löytyy.
Oksonium ja hydroksidi-ionit muodostavat vettä
Neutraloitumisreaktiot menevät yleensä loppuun asti. Mikäli liuokseen jää hydroksidi tai oksoniumioneja, niin liuos ei ole neutraali. Neutraloitumistehtävissä kirjoitetaan hapon ja emäksen dissosioitumisreaktiot ja lasketaan hydoksidi ja oksoniumioni ainemäärät, joista jäljelle jäävä muodostaa pH:n.
Neutraloitumistehtävä video 9/1 1h3min nauhota
Esim: Titrattaessa HCl:ää NaOH:lla tapahtuu seuraavanlainen reaktio
HCl(aq) + NaOH(aq) NaCl(aq) + H2O
Kun tiedetään että HCl:n vesiliuoksessa on H3O+- ja Cl–-ioneja ja NaOH liuoksessa on Na+- ja OH–-ioneja, niin oksonium ja hydroksidi ionit kumuoavat toisensa synnyttäen vettä, jolloin liuoksen ekvivalentti on kohdassa 7. H3O+ + OH– 2 H2O. Tällöin natrium ja kloridi ionit ovat vähän niinkuin sivusta katsojia ja muodostavat sitten aikansa kuluksi NaCl- joka kiteytyy kun vesi poistetaan.
Mahahapon neutralointi
Koska happovakiot ja protolyytti-ionien konsentraatiot ovat niin pieniä niin siksi niille on logaritminen p-muoto.
Jos pitää selvittää hydroksidi-ioni konsentraatio ja on käytössä vaan oksoniumioni konsentraatio, niin käteväsi Kw toimii peilinä eli veden ionitulo.
Moniarvoisten protolyyttien jokaiselle protolysoitumiselle on oma Ka tai Kb arvonsa.
Neutraloituminen
Neutraloituminen on sitä kun happoa ja emästä sekoitetaan ja niiden oksonium- ja hydroksidi-ionit reagoivat keskenään. Reaktiotuotteena tietysti vettä. Reaktio tapahtuu niin pitkään kunnes saavutetaan veden ionitulon arvo 10⁻¹⁴. Kun reaktio esitetään veden muodostumisen suuntaan, niin tasapainon vakion arvo on Kw:n eli ionitulon käänteisluku 1/Kw eli 10¹⁴. Käytännössä oksonium- ja hydroksidi-ionit neutraloivat toisensa täydellisesti.
Usein happojen neutralointiin käytetään jotain alkali- ja maa-alakalimetalleja eli niiden hydroksideja ja karbonaatteja. Ne reagoivat happojen kanssa niin että saadaan hiiliduioksidia ja vettä: 2H3O + CO3²⁻ --> H2CO3 + 2 H2O ja sitten hiilihappo dissosioituu CO2 + H20.
Reaktioissa aina itse oksonium- ja hydroksidi-ionista syntyy vettä ja sitten jäljelle jäävästä tavarasta usein tulee jotain suolaa. Suolahapon ja natriumkarbonaatin neutraloitumisreaktio on seuraavanlainen:
2HCl + Na2CO3 > H2O + CO2 + 2NaCl
Heikon hapon neutralointiKun neutraloidaan heikkoa happoa esimerkiksi vahvalla emäksellä, niin hapon neutraloitumisen jälkeen seokseen jääkin esim. asetaatti-ionia, joka voi jatkoreagoida veden kanssa ja muodostaa lisää hydroksidi-ioneja. Vasta näiden neutraloitumisen jälkeen seos olisi kokonaan neutraloitu.
Esim: Etikkahappoa neutraloidaan natriumhydroksidillä seuraavasti
CH3COOH + NaOH >>> CH3COONa + H2O (eli syntyy natriumasetaattia ja vettä)
Tässä natriumasetaatissa on neutraali natriumioni ja asetaatti-ioni, joista asetaatti voi nyt lähteä jatkoreagoimaan veden kanssa muodostaen hydroksidi-ionia lisää:
CH3COO⁻ + H2O >>> CH3COOH + OH⁻. Eli tässä tapauksessa liuos jää siis emäksiseksi.
Usein happojen neutralointiin käytetään jotain alkali- ja maa-alakalimetalleja eli niiden hydroksideja ja karbonaatteja. Ne reagoivat happojen kanssa niin että saadaan hiiliduioksidia ja vettä: 2H3O + CO3²⁻ --> H2CO3 + 2 H2O ja sitten hiilihappo dissosioituu CO2 + H20.
Reaktioissa aina itse oksonium- ja hydroksidi-ionista syntyy vettä ja sitten jäljelle jäävästä tavarasta usein tulee jotain suolaa. Suolahapon ja natriumkarbonaatin neutraloitumisreaktio on seuraavanlainen:
2HCl + Na2CO3 > H2O + CO2 + 2NaCl
Heikon hapon neutralointiKun neutraloidaan heikkoa happoa esimerkiksi vahvalla emäksellä, niin hapon neutraloitumisen jälkeen seokseen jääkin esim. asetaatti-ionia, joka voi jatkoreagoida veden kanssa ja muodostaa lisää hydroksidi-ioneja. Vasta näiden neutraloitumisen jälkeen seos olisi kokonaan neutraloitu.
Esim: Etikkahappoa neutraloidaan natriumhydroksidillä seuraavasti
CH3COOH + NaOH >>> CH3COONa + H2O (eli syntyy natriumasetaattia ja vettä)
Tässä natriumasetaatissa on neutraali natriumioni ja asetaatti-ioni, joista asetaatti voi nyt lähteä jatkoreagoimaan veden kanssa muodostaen hydroksidi-ionia lisää:
CH3COO⁻ + H2O >>> CH3COOH + OH⁻. Eli tässä tapauksessa liuos jää siis emäksiseksi.
