Protolyysi I - Kandidaattikustannus

Protolyysi I
Hapot, emäkset, protolyysi ja pH
Tunnin sisältö
1. 
2. 
3. 
4. 
Mikä on happo, mikä on emäs?
Mikä on protolyysireaktio?
pH, Ka, veden ionitulo
Vahvat hapot ja emäkset
Hapon ja emäksen määritelmä
•  Brønsted-Lowryn teorian mukaan happo on
aine joka kykenee luovuttamaan vetyionin ( =
protonin) liuokseen
•  Emäs kykenee vastaavasti vastaanottamaan
kyseisen ionin
•  Hapon on luovutettava protoni emäkselle à
kyse siis protonin siirrosta = protolyysi
Protolyysi
HA + B ⇌ A- + HB+
•  Tämä periaate pätee kaikkiin
protolyysireaktioihin:
–  HA = happo, B = emäs, A- = vastin (=
konjugaatti)emäs, HB+ = vastinhappo
–  Happo muuttuu vastinemäksekseen
luovuttaessaan protonin emäkselle
–  Vetyioni siis siirtyy hapon ja emäksen välillä!!
Protolyysi vesiliuoksessa
•  Suuri osa protolyyseistä tapahtuu
vesiliuoksessa:
•  Hapon protolyysi vedessä:
HA + H2O ⇌ A- + H3O+ OKSONIUMioni
•  Emäksen protolyysi vedessä:
B + H2O ⇌ HB+ + OH- HYDROKSIDI-ioni
•  Eli vesi voi toimia tarpeen tullen sekä
happona, että emäksenä.
–  Tälläistä ainetta kutsutaan amfolyytiksi.
–  Amfolyytit kykenevät autoprotolyysiin
–  Autoprotolyysissä aine luovuttaa ja vastaanottaa
itse protonin
Veden autoprotolyysi: H2O + H2O ⇌ H3O+ + OH-­‐ pH
•  Happamuutta kuvataan vetyionien aktiivisuudella (tai
määrällä) liuoksessa.
•  Vetyionit sitoutuvat vesimolekyyleihin à
oksoniumioni
•  Vetyionikonsentraation vaihtelut jopa 1014 luokkaa à
otettu käyttöön logaritmin asteikko, pH
•  pH on määritelty vetyionikonsentraation
(oksoniumionin) negatiivisena kymmenkantaisena
logaritmina
Mikä pH / Mikä [H3O+]?
[H3O+]=0,023
[H3O+]=0,23
pH= 8,26
pH=1,3
[H+]=2,645*10-13
pH= -lg[H+]
Mikä pH / Mikä [H3O+]?????
[H3O+]=0,023 => 1,64
[H3O+]=0,23
=> 0,64
pH= 8,26
=> 5,5*10-9
pH=1,3
=> 0,05
[H+]=2,645*10-13 => 12,5776
Logaritmilaskujen
pyöristyssäännöt
•  pH:n ensimmäinen osa ilmoittaa vain pH:n
suuruusluokan (kymmenpotenssin)
•  pH- ja pOH-arvojen merkitsevät numerot
lasketaan pilkun jälkeen
•  pH = 2,43 à 2 merkitsevää numeroa
•  pH = 10,254 à 3 merkitsevää numeroa
•  pH = 5 à 0 merkitsevää numeroa ??
Veden autoprotolyysi ja ionitulo
•  Vesi protolysoituu hiukan kaikissa liuoksissa muodostaen
oksonium- ja hydroksidi-ioneja
•  Tislatun veden pH lämpötilassa 25°C on 7 à kutsutaan
neutraaliksi (molempia muotoja yhtä paljon = 10-7M)
•  Yleisesti: happojen ja emästen reaktiot asettuvat nopeasti
tasapainoon
•  Liuoksessa on aina sekä hydroksidi-, että oksonium-ioneja
–  Näiden tulo on aina vakio tietyssä lämpötilassa
Kw= veden ionitulo Mitä tästä seuraa?
Kw = [H3O+][OH-] = 1,00 x 10-14 (mol/l)2
Kw = Ka x Kb = 1,00 x 10-14 (mol/l)2
pKa + pKb = 14
pH + pOH = 14
Happojen vahvuudesta yleisesti
•  Happojen vahvuutta kuvataan niiden kyvyllä luovuttaa
vetyioni liuokseen ja tätä kuvataan termillä Ka
•  Toiset vahvempia kuin toiset
•  Johtuu monista tekijöistä:
–  Elektronegatiivisuus vetyyn sitoutuneella molekyylillä à
poolisuus
–  Atomisäde
–  Molekyylin muoto
–  Syntyvien ionien stabiilius (eli energiaminimiin pyrkiminen)
•  Ei tarvitse ymmärtää syvemmin, sillä ei lukiossa käsitellä
Vahvoja happoja H2SO4 rikkihappo HNO3 typpihappo HCl vetykloridi l. suolahappo HClO4 perkloorihappo HI vetyjodidi HBr vetybromidi H3O+ oksoniumioni Vahvoja emäksiä OH-­‐ hydroksidi-­‐ioni O2-­‐ oksidi-­‐ioni Huom! Osa hapoista ja emäksistä on moniarvoisia, eli ne kykenevät luovuJamaan tai vastaanoJamaan useamman protonin. Vahvat hapot
HA
+
H2O
⇄
A-
+
H3O+
c(alku)
c(tasapaino)
1
0
0
1
0
1
•  Vahvojen happojen voidaan ajatella protolysoituvan täydellisesK •  Vahvaa happoa vastaa aina heikko vas1nemäs ja toisinpäin Pohdittavaa
•  Jos kaksi eri happoa protolysoituvat
vesiliuoksessa täydellisesti, ovatko hapot yhtä
vahvoja?
Pohdittavaa
•  Jos kaksi eri happoa protolysoituvat
vesiliuoksessa täydellisesti, ovatko hapot yhtä
vahvoja?
•  Eivät! à voivat olla eri vahvuisia jonkin toisen
emäksen kanssa reagoidessa
Vahvat emäkset
B
c(alku)
c(tasapaino)
1
0
+
H2O
⇄
HB+
+
OH-
0
1
0
1
•  Myös vahvojen emästen ajatellaan protolysoituvan laskuissa täydellisesK Vahvat hapot & emäkset
•  Niinpä voidaan kirjoittaa pH = -log[H3O+] ≈
-log[HA]
•  [HA] = hapon alkukonsentraatio
•  Vastaavasti vahva emäs määritellään aineena,
joka esiintyy liuoksessa lähes täysin
konjugaattihapponaan eli protolysoituu
täydellisesti.
•  Tällöin voidaan kirjoittaa pOH = -log[OH-] ≈
-log[B]
•  [B] = emäksen alkukonsentraatio
Esimerkki
”Mikä on 0,015 M typpihappoliuoksen pH?
Kirjoita myös protolyysireaktio vesiliuoksessa”
Vastaus
•  Typpihappo on vahva happo, joka
protolysoituu täydellisesti:
•  HNO3 + H2O → NO3- + H3O+
•  [H3O+] = [HNO3]
•  pH = -lg[H3O+] = -lg (0,015) = 1,82
•  Pyöristys oikein plz!
hJp://sjesci.wikispaces.com/file/view/ph.gif/130348301/ph.gif Protolyysin biologinen merkitys
•  Liuoksen pH muuttuu
•  Protolysoitumisen seurauksena aineeseen
tulee sähköistä varausta
-  happamat ryhmät ovat negatiivisia
-  emäksiset ryhmät ovat positiivisia
•  Protolysoituessaan aine muuttuu
vesiliukoisemmaksi eli hydrofiilisemmäksi.
•  Mieti miten keho käyttää hyödykseen pH:n muutoksia
(mahahapot, peroksisomit…)