Teorie kyselin a zsad Vpoty p H Joko

Teorie kyselin a zásad Výpočty p. H Joško Ivica

OTÁZKY - OPAKOVÁNÍ 1) 2) 3) 4) 5) 6) Napište vzorce kyseliny chlorovodíkové, hydroxidu draselného a reakce jejich disociace ve vodě Napište vzorce kyseliny octové, amoniaku a reakce jejich disociace Napište rovnici pro rovnovážnou konstantu disociace kyseliny octové Napište vzorec octanu sodného a reakci jeho disociace. Co je p. H? Iontový součin vody

OPAKOVÁNÍ 1) H 2 O HCl H+ + Cl- nebo HCl + H 2 O H 3 O+ + Cl. KOH K+ + OHKA 2) CH 3 COOH + H 2 O CH 3 COO- + H 3 O+ KA CH 3 COOH CH 3 COO- + H+ KB NH 3 + H 2 O NH 4+ + OH 3) [CH 3 COO-] [H+] KA = [CH 3 COOH] 4) 5) 6) CH 3 COONa CH 3 COO- + Na+ p. H = -log[H+] KV = [H+][OH-] = 1, 008· 10 -14 při 25°C p. OH = -log[OH-] p. H + p. OH = 14 = p. Kv!

Kyseliny a zásady Arrheniova teorie: Kyseliny jsou látky schopné disociovat ve vodě na vodíkový iont (H+) a příslušný anion (pouze vodné prostředí) HNO 3 H+ + NO 3 Zásady jsou sloučeniny, které ve vodě disociují na hydroxidový iont a kation Na. OH Na+ + OHBrønstedova teorie: Kyseliny jsou látky schopné uvolňovat H+, a zásady jsou látky schopné H+ vázat (platné i v nevodných prostředích) kyselina H+ + zásada konjugovaný pár

p. H silných kyselin a zásad HA H+ + A- úplná disociace kyseliny p. H = -log a(H+) c(HA) = [H+] = [A-] a – aktivita a(H+) = γ±·c(HA) γ± - střední aktivitní koeficient U velmi zředěných roztoků γ± = 1! p. H = -log[H+]

p. H silných kyselin a zásad BOH B+ + OH- p. OH = -log[OH-] úplná disociace zásady c(BOH) = [OH-] = [B+] p. H = 14 - p. OH = 14 + [log a(OH-)] a(OH-) = γ±·c(BOH) U velmi zředěných roztoků γ± = 1! p. H = 14 - p. OH = 14 + log [OH-]

p. H slabých kyselin a zásad Disociace slabých kyselin (Ka < 10 -4) c-x HA + H 2 O x x A- + H 3 O+ Ka = [A-][H 3 O+] c-x = koncentrace kyseliny při rovnováze [HA] = x 2 c-x = x 2 c x = koncentrace produktů při rovnováze c = počátečná koncentrace kyseliny c >> x u ředěných slabých kyselin p. Ka = -log. Ka p. H = -log[H 3 O+] = x = (Ka c)1/2 / log p. H = -log [H 3 O+] = ½ [p. Ka – log(c)]

p. H slabých kyselin a zásad Disociace slabých zásad c-x x BH+ B + H 2 O + x OH- Kb = c-x = koncentrace zásady při rovnováze x = koncentrace produktů při rovnováze [BH+][OH-] [BH] = x 2 c-x = c c >> x u ředěných slabých zásad c = počátečná koncentrace zásady p. Kb = -log. Kb x 2 [OH-] = x = (Kb c)1/2 / log p. OH = -log[OH-] p. H = 14 - p. OH p. H = 14 – p. OH = 14 – ½ [p. Kb – log(c)]

Hydrolýza soli • Při rozpouštění soli, jejíž jeden ion pochází od silného elektrolytu (kyseliny nebo zásady) a druhý od slabého, dojde k její úplné disociaci, protože ionty silného elektrolytu mohou v roztoku existovat pouze v iontové formě • Ionty slabého elektrolytu reagují s molekulami vody, čímž vytvoří konjugovanou částici • Příklady: CH 3 COONa, KCN, NH 4 Cl, NH 4 NO 3

Soli slabých kyselin a silných zásad [CH 3 COO-][H+] KA = [CH 3 COOH] CH 3 COONa CH 3 COO- + Na+ CH 3 COO- + H 2 O CH 3 COOH + OH- KH = [H+][OH-] = Kv [CH 3 COOH] [OH-] [CH 3 COO-] Platí, že KH·KA = KV KH = KV/KA c-x x CH 3 COO- + H 2 O x CH 3 COOH + OH- [CH 3 COOH] = [OH-] c = počátečná koncentrace soli c-x = koncentrace anionu slabé kyseliny v rovnováze x = koncentrace produktů v rovnováze c-x = c KV = 10 -14 KA = [OH-]2 c

Z toho vyplývá obecný výraz pro výpočet p. H solí slabých kyselin a silných zásad: [OH-]2 = Kv · c (soli) KA p. OH = 7 – 1/2[p. KA – log(c)] p. H = 14 - p. OH p. H = 7 + ½ [p. KA + log(c)]

Soli slabých zásad a silných kyselin NH 4 Cl NH 4+ + + H 2 O Cl- NH 3 + [NH 4+] [OH-] KB = [NH 3] H 3 O+ [NH 3] [H 3 O+] KH = [NH 4+] [H+][OH-] = Kv Platí, že KH·KB = KV KH = KV/KB NH 4+ + H 2 O c-x NH 3 + H 3 O+ x c = počátečná koncentrace soli c-x = c [H 3 O+] = [NH 3] x KV KB [H 3 O+]2 = c c-x = koncentrace kationu slabé zásady v rovnováze x = koncentrace produktů v rovnováze

Z toho vyplývá obecný výraz pro výpočet p. H solí slabých zásad a silných kyselin: [H 3 O+]2 = Kv· c(soli) KB p. H = 7 - ½[p. KB + log(c)]

Soli slabých zásad a slabých kyselin Aniony a kationy slabé kyseliny a zásady tvořící sůl o koncentraci c reagují s vodou, např. NH 4 CN CN- + H 2 O = HCN + OHNH 4+ + H 2 O = NH 3 + H 3 O+ NH 4+ + CNHCN + NH 3 c-x x x KH = [HCN][NH 3]/[CN-][NH 4+] = [HCN]2/[CN-]2 c-x = c [H 3 O+]2 = KV · KA KB Platí, že KH · KA ·KB = KV KH = Kv/KA KB KA = [H 3 O+][CN-]/[HCN] (1/KH)1/2 [H 3 O+]2 = KA 2 KH = KV · KA/KB p. H = 7 + ½[p. KA - p. KB]

PUFRY • Pufry (tlumivé roztoky) = konjugovaný pár kyseliny nebo zásady, který je schopný udržovat v jistém rozmezí stabilní p. H po přidání silné kyseliny či zásady do systému • Pufry jsou obvykle směsi slabých kyselin a jejich solí se silnými zásadami, nebo směsi slabých zásad a jejich solí se silnými kyselinami • Důležitost pufračních systémů v organismu (krev, mezibuněčný prostor, buňky)

Výpočty p. H roztoků pufrů Pufr sestavající se ze slabé kyseliny a její soli se silnou zásadou HA + H 2 O A- + H 3 O+ Ka Henderson – Hasselbalchova rovnice p. H = p. Ka + log[A-]/[HA] HA – slabá kyselina A- – konjugovaná zásada Pufr sestavající se ze slabé zásady a její soli se silnou kyselinou B + H 2 O BH+ + OH- p. OH = p. Kb + log[BH+]/[B] B – slabá zásada BH+ - konjugovaná kyselina

Výpočty p. H 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Vypočítejte p. H 1 m. M KOH! Vypočítejte p. H 0. 01 M kyseliny mravenčí (HCOOH) při 25°C, p. Ka = 3. 8! Vypočítejte p. H 0. 001 M NH 3 při 25°C, p. Kb = 4. 8! Vypočítejte p. H 0. 1 M Na. CN při 25°C, p. Ka = 9. 21! Vypočítejte p. H 0. 7 M NH 4 Cl při 25°C, p. Kb = 4. 8! Vypočítejte p. H 5 m. M laktátu ammoného CH 3 CH(OH)COONH 4 při 25°C, p. Ka = 3. 86, p. Kb = 4. 8! Vypočítejte p. H pufru, který obsahuje 0. 1 M CH 3 COONa a 0. 1 M CH 3 COOH, p. Ka = 4. 8! Vypočítejte p. H pufru, který obsahuje 0. 1 M NH 4 Cl a 1 M NH 3, p. Kb = 4. 8!

1. c(KOH) = 0, 001 M = [K+] = [OH-] KOH K+ + OHp. OH = -log [OH-] = 3 p. H = 14 – p. OH = 11

2. c(HCOOH) = 0. 01 M, p. Ka = 3. 8 HCOOH ↔ HCOO- + H+ 0. 01 -x=c x x x = konc. produktů při rovnováze ↓ konc. HCOOH při rovnováze Ka =[HCOO-][H+]/[HCOOH] = x 2/c = [H+]2/0. 01 [H+] = (Ka· 0. 01)1/2 p. H = -log[H+] = ½ [3. 8 – log(0. 01)] = 2. 9

3. c(NH 3) = 0. 001 M, p. Kb = 4. 8 NH 3 H 2 O NH 4+ + OH- 0. 001 -x x = konc. produktů při rovnováze ↓ konc. NH 3 při rovnováze 0. 001 -x = c Kb=[NH 4+][OH-]/[NH 3] = x 2/c = [OH-]2/0. 001 [OH-] = (Kb· 0. 001)1/2 p. OH = -log[OH-] = ½ [p. Kb - log(0. 001)] p. H = 14 - ½ [4. 8 - log(0. 001)] = 14 – 3. 9 = 10. 1

4. c(Na. CN) = 0. 1 M, p. Ka = 9. 21 Na. CN Na+ + CNHCN H+ + CNKa=[H+][CN-]/[HCN] CN- + H 2 O HCN + OH- KH = [OH-][HCN]/[CN-] c-x = c x x [HCN] = [OH-] Kv = Ka KH Kv/ Ka = [OH-]2/c [OH-] = (Kvc/ Ka)1/2 p. OH = ½(p. Kv – p. Ka + log c) p. H = 14 - ½(p. Kv – p. Ka + log c) = p. H = 7 + ½ [p. KA + log(c)] = 7 + ½ (9. 21 + log 0. 1) = 11. 1

5. c(NH 4 Cl) = 0. 7 M, p. Kb = 4. 8 H 2 O NH 4 Cl NH 4+ + Cl. NH 3 NH 4+ + OHKb = [NH 4+][OH-]/[NH 3] NH 4+ + H 2 O c-x = c NH 3 + H 3 O+ KH = [NH 3][H 3 O+]/[NH 4+] x x [NH 3] = [H 3 O+] Kv = Ka KH Kv/ Ka = [H 3 O+]2/c [H 3 O+] = (Kvc/Kb)1/2 p. H = 7 - ½[p. KB + log(c)] = 7 – ½ (4. 8 – 0. 15) = 4. 68

6. c(CH 3 CH(OH)COONH 4) = 0. 005 M, p. Ka = 3. 86, p. Kb = 4. 8 CH 3 CH(OH)COO- + H 2 O NH 4+ + H 2 O CH 3 CH(OH)COOH + OH- NH 3 + H 3 O+ CH 3 CH(OH)COO- + NH 4+ CH 3 CH(OH)COOH + NH 3 c-x x x KH = [CH 3 CH(OH)COOH][NH 3]/[CH 3 CH(OH)COO-][NH 4+] = [CH 3 CH(OH)COOH]2/[CH 3 CH(OH)COO-]2 Kv = KH KA KB KH = Kv/KA KB (1/KH)1/2 KA = [H 3 O+][CH 3 CH(OH)COO-]/[CH 3 CH(OH)COOH] [H 3 O+]2 = KA 2 KH = KV · KA/KB p. H = 7 + ½[p. KA - p. KB]= 7 + ½ [3. 86 – 4. 8] = 6. 53

7. 0. 1 M CH 3 COONa, 0. 1 M CH 3 COOH, p. Ka = 4. 8 CH 3 COOH + H 2 O CH 3 COO- + H 3 O+ Ka p. H = p. Ka + log [CH 3 COO-]/[CH 3 COOH] = 4. 8 + 0 = 4. 8

8. 0. 1 M NH 4 Cl a 1 M NH 3, p. Kb = 4. 8 NH 3 + H 2 O NH 4+ + OH- Kb p. OH = p. Kb + log [NH 4 Cl]/[NH 3] = 4. 8 – 1 = 3. 8 p. H = 14 – p. OH = 10. 2