chemia stosowana I

temat:

pH roztworów

pojęcia kwasu i zasady wg Brönsteda

kwas

substancja zawierająca cząsteczki zdolne do
oddawania protonów (donory protonów)

zasada substancja zawierająca cząsteczki zdolne do

przyjmowania protonów (akceptory
protonów)

Kwas oddając proton przechodzi w
zasadę, sprzężoną z tym kwasem.
Zasada przyjmując proton
przechodzi w kwas sprzężony z tą
zasadą.

A B + H

+

Do zajścia reakcji potrzebne są

dwie pary sprzężone kwas-

zasada.

A

1

B

1

+ H

+

B

2

+ H

+

A

2

A

1

+ B

2

B

1

+ A

2

przykłady kwasów i zasad

HCl

+

NH

3

Cl

–

+

NH

4

+

H

3

O

+

+

OH

–

2 H

2

O

HCl

+

H

2

O

Cl

–

+

H

3

O

+

H

2

O

+

NH

3

OH

–

+

NH

4

+

H

2

SO

4

+

H

2

O

HSO

4

–

+

H

3

O

+

HSO

4

–

+

H

2

O

SO

4

2–

+

H

3

O

+

H

2

S

+

OH

–

HS

–

+

H

2

O

stała kwasowości i zasadowości

HA

+

H

2

O

A

–

+

H

3

O

+

kwasy:

H

2

O

+

B

OH

–

+

BH

+

zasady:

skala pK

a

= – logK

a

HCl

K

a

= 10000000 = 1×10

7

HNO

3

K

a

= 25

HClO

2

K

a

= 0,01

= 1×10

–2

HF

K

a

= 0,00063

= 6,3×10

–

4

HBrO

K

a

= 0,000000002 =

2,0×10

–9

H

2

O

K

w

= 1×10

–14

NH

3

K

a

= 5,7×10

–

40

H

2

S

K

a

= 0,0000001 = 1×10

–7

NH

3

+ H

2

O NH

2

–

+ H

3

O

+

pK

a

=–7.0

pK

a

=–1.4

pK

a

=2.0

pK

a

=3.2

pK

a

=7.0

pK

a

=8.7

pK

w

=14.0

pK

a

=39.2

kwasy wieloprotonowe

H

3

PO

4

+ H

2

O H

2

PO

4

–

+ H

3

O

+

H

2

PO

4

–

+ H

2

O HPO

4

2–

+ H

3

O

+

HPO

4

2–

+ H

2

O PO

4

3–

+ H

3

O

+

H

2

SO

4

+ H

2

O HSO

4

–

+ H

3

O

+

HSO

4

–

+ H

2

O SO

4

2–

+ H

3

O

+

kwasy wieloprotonowe

H

2

SO

4

/ HSO

4

–

/ SO

4

2–

pK

a,1

= -3 pK

a,2

= 1,9

H

3

PO

4

/ H

2

PO

4

–

/ HPO

4

2–

/ PO

4

3–

pK

a,1

= 2,1 pK

a,2

= 7,2 pK

a,3

= 12,7

H

2

SO

3

/ HSO

3

–

/ SO

3

2–

pK

a,1

= 1,8 pK

a,2

= 7,0

kwasy wieloprotonowe

kwas szczawiowy
H

2

C

2

O

4

/ HC

2

O

4

–

/ C

2

O

4

2–

pK

a,1

= 1,2 pK

a,2

= 4,2

kwas ftalowy
C

6

H

4

(COOH)

2

/ C

6

H

4

(COO)

2

H

–

/ C

6

H

4

(COO)

2

2–

pK

a,1

= 2,9 pK

a,2

= 5,4

kwas cytrynowy
H

4

cytr / H

3

cytr

–

/ H

2

cytr

2–

/ Hcytr

3–

pK

a,1

= 3,1 pK

a,2

= 4,8 pK

a,3

= 6,4

moc kwasów a układ okresowy

HF

(3,2)

pK

a

kwasów beztlenowych:

HCl

(-7,0)

HBr

(-9,5)

HI

(-10,0)

H

2

O

(15,7)

H

2

S

(7,0)

H

3

N

(39,2)

H

2

Se

(3,7)

H

2

Te

(2,6)

moc kwasów a układ okresowy

pK

a

kwasów tlenowych:

HClO

4

(~ -8)

H

5

IO

6

(3,0)

H

2

SO

4

(~ -3)

HNO

3

(-1,4)

H

3

PO

4

(2,12)

[H

2

CO

3

]

(6,4)

H

3

BO

3

(9,2)

H

3

AsO

4

(2,25)

H

4

SiO

4

(10,0)

HClO

(7,5)

HClO

2

(2,0)

HClO

3

(~ -3) HClO

4

(~ -8)

kwasy i zasady sprzężone

NH

3

+ H

2

O

NH

4

+

+ OH

–

pK

b

= 4,76

NH

4

+

+ H

2

O

NH

3

+ H

3

O

+

pK

a*

= ?

H

2

O H

3

O

+

+ OH

–

pK

w

= 14,0

K

b

·K

a*

= K

w

pK

b

+ pK

a*

= pK

w

9,24

kwasy i zasady sprzężone

NO

2

–

+ H

2

O

HNO

2

+ OH

–

pK

b*

= ?

HNO

2

+ H

2

O

NO

2

–

+ H

3

O

+

pK

a

= 3,3

H

2

O H

3

O

+

+ OH

–

pK

w

= 14,0

K

a

·K

b*

= K

w

pK

a

+ pK

b*

= pK

w

10,7

stopień dysocjacji

CH

3

COOH + H

2

O CH

3

COO

–

+ H

3

O

+

stała dysocjacji
K

a

= 1,8×10

–5

stężenie nominalne C

0

:

1M

0,01M

0,0001M

C

H

3

O

+

= C

CH

3

COO

–

:

4,2×10

–3

4,1×10

–4

3,4×10

–5

stopień dysocjacji :

0,42%

4,1%

34%

K

a

=

_______

=

_____

C

H

3

O

+

·C

A

–

C

HA

C

0

·

2

1 – 

Stopień dysocjacji rośnie wraz z rozcieńczeniem roztworu.

stopień dysocjacji

CH

3

COOH + H

2

O

CH

3

COO

–

+ H

3

O

+

stała dysocjacji
K

a

= 1,8×10

–5

Dodatek soli zmniejsza stopień dysocjacji kwasów.

CH

3

COONa

CH

3

COO

–

+ Na

+

0,1M CH

3

COOH:

1,35%

0,1M CH

3

COOH + 0,1M CH

3

COONa:

0,018%

stopień dysocjacji 

C

H

3

O

+

= C

0

·



pH roztworów kwasów

kwasy słabe - częściowo zdysocjowane:
1M CH

3

COOH pK

a

= 4,75 C

H

3

O

+

= 0,0042 mol/dm

3

pH 2,38

0,01M CH

3

COOH

C

H

3

O

+

= 0,00041 mol/dm

3

pH 3,39

0,01M HClO

2

pK

a

= 1,96 C

H

3

O

+

= 0,0063 mol/dm

3

pH 2,20

0,01M HClO

pK

a

= 7,5 C

H

3

O

+

= 1,8×10

–5

mol/dm

3

pH 4,75

0,01M HIO

pK

a

= 11,0 C

H

3

O

+

= 3,4×10

–7

mol/dm

3

pH 6,47

kwasy mocne - całkowicie zdysocjowane:
1M HCl

C

H

3

O

+

= 1 mol/dm

3

pH = 0

0,1M HClO

4

C

H

3

O

+

= 0,1 mol/dm

3

pH = 1

0,001M HI

C

H

3

O

+

= 0,001 mol/dm

3

pH = 3

0,03M HBr

C

H

3

O

+

= 0,03 mol/dm

3

pH = 1,52

C

H

3

O

+

= C

IO

–

+ C

OH

–

C

0

= C

IO

–

+ C

HIO

kwasy wieloprotonowe

H

2

SO

4

/ HSO

4

–

/ SO

4

2–

pK

a,1

= -3 pK

a,2

= 1,9

C

SO

4

2–

+ C

HSO

4

–

= C

0

2C

SO

4

2–

+ C

HSO

4

–

= C

H

3

O

+

C

0

C

H

3

O

+

pH

1M

1,012 mol/dm

3

-0,005 (0)

0,1M

0,110 mol/dm

3

0,96

(1)

0,01M

0,0145 mol/dm

3

1,84

(2)

0,001M

0,00191 mol/dm

3

2,72

(3)

0,0001M

0,00020 mol/dm

3

3,70

(4)

0,00001M

0,000020 mol/dm

3

4,70

(5)

pH roztworów zasad

zasady słabe - częściowo zdysocjowane:

pOH

pH

1M NH

3

pK

b

= 4,75 C

OH

–

= 0,0042 M

2,38

11,62

0,01M NH

3

C

OH

–

= 0,00041 M 3,39

10,61

0,01M N

2

H

4

pK

b

= 6,0 C

OH

–

= 9,95×10

–5

M

4,00

10,00

0,01M NH

2

OH pK

b

= 7,9 C

OH

–

= 1,12×10

–5

M

4,95

9,25

0,01M PhNH

2

pK

b

= 9,4 C

OH

–

= 2,00×10

–7

M

5,70

8,30

zasady mocne - całkowicie zdysocjowane:
1M NaOH

C

OH

–

= 1 mol/dm

3

pOH = 0

pH = 14

0,1M KOH

C

OH

–

= 0,1 mol/dm

3

pOH = 1

pH = 13

0,001M KOH C

OH

–

= 0,001 mol/dm

3

pOH = 3

pH = 11

0,03M NaOH C

OH

–

= 0,03 mol/dm

3

pOH = 1,52

pH =

12,48

?

zasadowy

kwaśny

hydroliza

CH

3

COONH

4/s/

CH

3

COO

–

+ NH

4

+

NH

4

Cl

/s/

NH

4

+

+ Cl

–

+

H

2

O

NH

3

+

H

3

O

+

K

2

CO

3/s/

2 K

+

+ CO

3

2–

+

H

2

O

HCO

3

–

+

OH

–

+

H

2

O

NH

3

+

H

3

O

+

+

H

2

O

CH

3

COOH

+

OH

–

pH roztworów soli

mocny kwas - słaba zasada

NH

3

+ HCl Cl

–

+ NH

4

+

V

NH

3

0,1M

V

HCl

0,1M

pH

50

100

1,48

100

100

5,13

100

80

8,65

100

60

9,07

100

40

9,45

100

30

9,62

100

0

11,13

H

2

O + HCl Cl

–

+ H

3

O

+

NH

3

+ H

3

O

+

H

2

O + NH

4

+

pH roztworów soli

słaby kwas - mocna zasada

CH

3

COOH + NaOH CH

3

COO

–

+ Na

+

+ H

2

O

V

CH

3

COOH

0,1M V

NaOH

0,1M

pH

50

100

12,52

100

100

8,87

100

80

5,35

100

60

4,93

100

40

4,55

100

30

4,38

100

0

2,87

NaOH OH

–

+ Na

+

CH

3

COOH + OH

–

H

2

O + CH

3

COO

–

wodorosiarczek amonu:

pK

a

= 7,0

pK

b

= 4,75 pK

a*

= 9,25 pH = 8,1

octan amonu:

pK

a

= 4,75 pK

b

= 4,75 pK

a*

= 9,25 pH = 7,0

mrówczan amonu:

pK

a

= 3,8

pK

b

= 4,75 pK

a*

= 9,25 pH = 6,5

pH roztworów soli

słaby kwas - słaba zasada

HCOOH + NH

3

HCOO

–

+ NH

4

+

CH

3

COOH + NH

3

CH

3

COO

–

+ NH

4

+

H

2

S + NH

3

HS

–

+ NH

4

+

Dla roztworów niezbyt rozcieńczonych pH nie zależy od
stężenia!

?

zasadowy

kwaśny

hydroliza

CH

3

COONH

4/s/

CH

3

COO

–

+ NH

4

+

NH

4

Cl

/s/

NH

4

+

+ Cl

–

+

H

2

O

NH

3

+

H

3

O

+

K

2

CO

3/s/

2 K

+

+ CO

3

2–

+

H

2

O

HCO

3

–

+

OH

–

+

H

2

O

NH

3

+

H

3

O

+

+

H

2

O

CH

3

COOH

+

OH

–

układy buforowe

Słabe kwasy
(zasady)
tworzą z
solami tzw.
mieszaniny
buforowe,
których pH
jest mało
wrażliwe na
dodatek silnej
zasady
(kwasu).

układy buforowe

układy buforowe

wskaźniki kwasowo-zasadowe

IndH Ind

–

+ H

+

IndH

+

Ind + H

+

oranż

metylowy

czerwień

metylowa

tymoloftale
ina

wskaźniki kwasowo-zasadowe

IndH Ind

–

+ H

+

IndH

+

Ind + H

+

wskaźniki kwasowo-zasadowe

IndH Ind

–

+ H

+

IndH

+

Ind + H

+

miareczkowanie kwasów

mocny kwas
solny

słaby kwas
octowy

Poprawne
wykonanie analizy
wymaga dobrania
odpowiedniego
wskaźnika.