Wykład 6: Kwasy i zasady
Elektrolity, dysocjacja elektrolityczna
Kwasy i zasady wg Brłnsteda
Stała dysocjacji
Iloczyn jonowy wody, pH
Prawo rozcieńczeń Ostwalda
Protonowe rozpuszczalniki niewodne
Kwasy i zasady wg Lewisa
Wydział Chemii UJ Podstawy chemii - wykład 6/1 dr hab. W. Makowski
Elektrolity
Elektrolity - substancje, które rozpuszczając się w wodzie lub
innym rozpuszczalniku polarnym ulegajÄ… dysocjacji
elektrolitycznej, czyli rozpadajÄ… siÄ™ na jony dodatnie i ujemne.
Stopień dysocjacji ą  liczba (ułamek) określająca, jaka część
elektrolitu uległa dysocjacji.
Elektrolity mocne (Ä… = 1)
związki jonowe (np. sole oraz wodorotlenki litowców i
berylowców) oraz niektóre kwasy nieorganiczne.
Elektrolity sÅ‚abe (Ä… « 1)
niektóre kwasy nieorganiczne, liczne kwasy organiczne,
amoniak, zasady organiczne itd.
Wydział Chemii UJ Podstawy chemii - wykład 6/2 dr hab. W. Makowski
1
Solwatacja
Rozpad kryształów lub cząsteczek elektrolitów na jony zachodzi
w wyniku ich oddziaływania z cząsteczkami rozpuszczalnika, czyli
solwatacji.
Wydział Chemii UJ Podstawy chemii - wykład 6/3 dr hab. W. Makowski
Kwasy i zasady
Arrhenius (1887)
kwas: HNO3 H+ + NO3- (powstajÄ… jony wodorowe)
zasada: KOH K+ + OH- (powstajÄ… jony wodorotlenowe)
NH3 ?
Brłnsted (1923)
K Dð Z + H+
kwas: donor protonu zasada: akceptor protonu
Wydział Chemii UJ Podstawy chemii - wykład 6/4 dr hab. W. Makowski
2
Reakcje protolityczne
Reakcje kwasowo-zasadowe to reakcje protolityczne, czyli
polegajÄ…ce na przekazaniu protonu. W reakcjach takich zawsze
występują 2 pary kwas-zasada.
niesprzężone pary kwas - zasada
K1 + Z2 Dð K2 + Z1
sprzężone pary kwas - zasada
Wydział Chemii UJ Podstawy chemii - wykład 6/5 dr hab. W. Makowski
Pary kwas-zasada
K1 + Z2 Dð K2 + Z1
HCl + H2O Dð H3O+ + Cl-
HSO4- + H2O Dð H3O+ + SO42-
H2O + NH3 Dð NH4+ + OH-
H2O + HS- Dð H2S + OH-
NH4+ + H2O Dð H3O+ + NH3
H2SO4 + HS- Dð H2S + HSO4-
HF + NH3 Dð NH4+ + F-
Wydział Chemii UJ Podstawy chemii - wykład 6/6 dr hab. W. Makowski
3
Autodysocjacja rozpuszczalników polarnych
K1 + Z2 Dð K2 + Z1
woda
H2O + H2O Dð H3O+ + OH-
bezwodny ciekły amoniak
NH3 + NH3 Dð NH4+ + NH2-
bezwodny kwas siarkowy
H2SO4 + H2SO4 Dð H3SO4+ + HSO4-
solwatowane protony
(protonowane czÄ…steczki rozpuszczalnika)
Wydział Chemii UJ Podstawy chemii - wykład 6/7 dr hab. W. Makowski
Stała dysocjacji kwasowej
słaby kwas jednoprotonowy HA
HA + H2O Dð H3O+ + A-
[A-ð][H3O+ð ]
Kc =ð [H2O] ð const Ka =ð Kc[H2O]
[HA][H2O]
[A-ð][H3O+ð ]
Ka =ð pKa =ð -ðlog Ka Ka =ð10-ð pKa
[HA]
(a  acid = kwas)
Przykład: kwas octowy
CH3COOH + H2O Dð H3O+ + CH3COO-
[CH3COO-ð][H3O+ð ]
Ka =ð
[CH3COOH]
Wydział Chemii UJ Podstawy chemii - wykład 6/8 dr hab. W. Makowski
4
Kwasy wieloprotonowe - dysocjacja stopniowa
[H3O+ð ][H2A-ð]
H3A + H2O Dð H3O+ + H2A- Ka1 =ð
[H3A]
[H3O+ð ][HA2-ð]
H2A- + H2O Dð H3O+ + HA2- Ka2 =ð
[H2A-ð]
[H3O+ð ][A3-ð]
HA2- + H2O Dð H3O+ + A3-
Ka3 =ð
[HA2-ð]
Ka1 >ð Ka2 >ð Ka3
pKa1 <ð pKa2 <ð pKa3
Wydział Chemii UJ Podstawy chemii - wykład 6/9 dr hab. W. Makowski
Przykłady słabych kwasów
nazwa wzór Ka1 pKa1 Ka2 pKa2 Ka3 pKa3
azotowy
HNO2 4,3"10-4 3,37
(III)
chlorowy
HClO 3,0"10-7 7,53
(I)
węglowy H2CO3 4,3"10-7 6,37 5,6"10-11 10,25
fosforowy
H3PO4 7,6"10-3 2,12 6,2"10-8 7,21 2,1"10-13 12,67
(V)
mrówkowy HCOOH 1,8"10-4 3,75
duże różnice
między kolejnymi stałymi
octowy CH3COOH 1,8"10-5 4,75
szczawiowy (COOH)2 5,9"10-2 1,23 6,5"10-5 4,19
cytrynowy C3H4OH(COOH)3 7,1"10-4 3,15 1,7"10-5 4,77 4,0"10-7 6,40
mniejsze różnice między kolejnymi stałymi
Wydział Chemii UJ Podstawy chemii - wykład 6/10 dr hab. W. Makowski
5
Różnice stałych dysocjacji stopniowej
H3PO4 C3H4OH(COOH)3
kwas fosforowy (V) kwas cytrynowy
kwasowe grupy OH kwasowe grupy OH
związane z tym samym atomem związane różnymi atomami
- duże różnice pomiędzy - małe różnice między
kolejnymi stałymi dysocjacji kolejnymi stałymi dysocjacji
Wydział Chemii UJ Podstawy chemii - wykład 6/11 dr hab. W. Makowski
Czynniki decydujące o mocy kwasów
Kwasy beztlenowe Kwasy tlenowe
pKa pKa pKa
HF 3,2 HClO 7,3 HClO 7,3
HCl -7 HClO2 2,0 HBrO 8,7
HBr -9,5 HClO3 -1 HIO 10
HI -10 HClO4 -10
moc rośnie moc rośnie moc rośnie ze
ze wzrostem ze wzrostem liczby wzrostem
promienia atomowego atomów O związanych elektroujemności
z atomem centralnym atomu centralnego
Wydział Chemii UJ Podstawy chemii - wykład 6/12 dr hab. W. Makowski
6
Stała dysocjacji zasadowej
słaba zasada B
B + H2O Dð BH+ + OH-
+ð -ð
[BH ][OH ]
Kb =ð pKb =ð -ðlog Kb Kb =ð10-ð pKb
[B]
(b  base = zasada)
NH3 (g) Dð NH3 (aq)
NH3 (aq) + H2O Dð NH4+ + OH-
NH4OH
nie istnieje!
+ð -ð
[NH4 ][OH ]
Kb =ð
[NH3 (aq)]
Wydział Chemii UJ Podstawy chemii - wykład 6/13 dr hab. W. Makowski
Przykłady słabych zasad
nazwa wzór Kb pKb
amoniak NH3 1,8"10-5 4,75
hydrazyna NH2NH2 1,7"10-6 5,77
hydroksylamina NH2OH 1,1"10-8 7,97
metyloamina CH3NH2 3,6"10-4 3,44
anilina C6H5NH2 4,3"10-10 9,37
pirydyna C5H5N 1,8"10-9 8,75
mocznik CO(NH2)2 1,3"10-14 13,90
Wydział Chemii UJ Podstawy chemii - wykład 6/14 dr hab. W. Makowski
7
Iloczyn jonowy wody i pH
H2O + H2O Dð H3O+ + OH-
Kw =ð [H3O+ð][OH-ð]
Kw =ð10-ð14 pKw =ð -ðlog Kw =ð14
pH =ð -ðlog[ H3O+ð] pOH =ð -ðlog[OH-ð]
pH +ð pOH =ð14
[H3O+ð] =ð10-ð pH [OH-ð] =ð10-ð pOH =ð10-ð14+ð pH
Wydział Chemii UJ Podstawy chemii - wykład 6/15 dr hab. W. Makowski
Prawo rozcieńczeń Ostwalda
HA + H2O Dð H3O+ + A-
co(1-Ä…) coÄ… coÄ…
[H3O+ð ][A-ð]
Ka =ð
[HA]
2
(coað)2 coað Ka
Ka =ð =ð að ð
co(1-ðað) 1-ðað co
pKa log co
[H3O+ð] =ð aðco ð Kaco pH ð -ð
2 2
Przykład 6.1: Oblicz stopień
1,8×ð10-ð4
að =ð =ð 0,042
dysocjacji HCOOH w roztworze 0,1 M 0,1
Wydział Chemii UJ Podstawy chemii - wykład 6/16 dr hab. W. Makowski
8
Stała dysocjacji - obliczenia
Przykład 6.2: Oblicz stopień dysocjacji 0,1 M roztworu HCOOH
zawierajÄ…cym dodatkowo 0,05 M HCl
HCOOH + H2O Dð H3O+ + HCOO-
0,1-x 0,05+x x
[H3O+ð ][HCOO-ð]
Ka =ð
[HCOOH]
(0,05 +ð x)x 0,05x x
1,8×ð10-ð4 =ð ð =ð
0,1-ð x 0,1 2
x 3,6×ð10-ð4
x ð 3,6×ð10-ð4 að =ð =ð =ð 3,6×ð10-ð3
co 0,1
Wydział Chemii UJ Podstawy chemii - wykład 6/17 dr hab. W. Makowski
Stała dysocjacji  obliczenia cd.
Przykład 6.3: Wyznacz wartość stałej dysocjacji zasady B, która
w roztworze o stężeniu 0,05 M wykazuje pH = 11.
Wydział Chemii UJ Podstawy chemii - wykład 6/18 dr hab. W. Makowski
9
Protonowe rozpuszczalniki niewodne
bezwodny ciekły amoniak
autodysocjacja: NH3 + NH3 Dð NH4+ + NH2-
dysocjacja kwasu: HNO3 + NH3 Dð NH4+ + NO3-
dysocjacja zasady: C5H5N + NH3 Dð C5H5NH+ + NH2-
(pirydyna)
bezwodny kwas octowy
autodysocjacja: CH3COOH + CH3COOH Dð
Dð CH3COOH2+ + CH3COO-
dysocjacja kwasu: HNO3 + CH3COOH Dð CH3COOH2+ + NO3-
dysocjacja zasady: NH3 + CH3COOH Dð NH4+ + CH3COO-
solwoliza: CN- + CH3COOH Dð HCN + CH3COO-
Wydział Chemii UJ Podstawy chemii - wykład 6/19 dr hab. W. Makowski
Kwasy i zasady Lewisa
Reakcja kwasowo-zasadowa to reakcja pomiędzy donorem i
akceptorem wolnej pary elektronowej, w wyniku której
powstaje wiÄ…zanie koordynacyjne.
Zasada Lewisa: donor pary elektronowej
Kwas Lewisa: akceptor pary elektronowej
Kwas Lewisa + zasada Lewisa = addukt
kwasowo-zasadowy
Uwaga:
w roztworach
H+ + :OH- = H:OH
wodnych
H+ + :NH3 = H:NH3+
nie ma
wolnych
Ag+ + 2 :NH3 = [Ag(:NH3)2]+
protonów
Ni + 4 :CO = [Ni(:CO)4]
AlCl3 + :NH3 = Cl3Al:NH3
Wydział Chemii UJ Podstawy chemii - wykład 6/20 dr hab. W. Makowski
10