HEMIJSKA RAVNOTEŽA U VODENIM RASTVORIMA ELEKTROLITA KISELINE, BAZE, SOLI

Transcript

1 HEMIJSA RAVNOTEŽA U VODENIM RASTVORIMA ELETROLITA ISELINE, BAZE, SOLI

2 Šta imaju zajedničko ove supstance?

3 A ove?

4 ELETROLITI ISELINE BAZE SOLI VODA AUTOJONIZACIJA VODE: H 2 O H + + OH - Provodnost elektrolita je uvek veća nego provodnost vode! TEORIJE ISELINA I BAZA: 1. Arenijusova teorija 2. Luisova teorija 3. Brenšted-Lorijeva (protolitička) teorija

5 ARENIJUSOVA TEORIJA ISELINA I BAZA Nobelova nagrada za hemiju godine Svante Arrhenius ( ) TEORIJA ELETROLITIČE DISOCIJACIJE (JONIZACIJE) (1887.): ISELINA: Supstanca koja jonizacijom u vodenom rastvoru kao katjone daje isključivo H + -jone. BAZA: Supstanca koja jonizacijom u vodenom rastvoru kao anjone daje isključivo OH - -jone.

6 ISELINE BAZE HCl H + + Cl - H 2 SO 4 2H + + SO 2-4 Ali za slab elektrolit: HClO H + + ClO - NaOH Na + + OH - OH + + OH - Ali za slab elektrolit: NH 4 OH NH 4+ + OH -??? Neutralizacija - reakcija između kiseline i baze pri kojoj nastaju so i voda: HCl + NaOH NaCl + H 2 O Jonski oblik jednačine: H + (aq) + OH - (aq) H 2 O(l) Suština: nastanak slabog elektrolita (vode)

7 Šta ako imamo reakciju između slabe kiseline i jake baze (ili slabe baze i jake kiseline)? CH 3 COOH + NaOH NaCH 3 COO + H 2 O CH 3 COOH(aq) + OH - (aq) CH 3 COO - (aq) + H 2 O(l) Ali važi i: CH 3 COOH CH 3 COO - + H + H + (aq) + OH -??? (aq) H 2 O(l) imamo, dakle, postepeno pomeranje ravnoteže udesno! AMFOTERNA JEDINJENJA - reaguju i sa kiselinama i sa bazama -obično su slabo rastvorljiva (hidroksidi metala) - u reakciji sa bazom daju hidroksido-komplekse?????? Arenijusova teorija nije u stanju da objasni ovakva ponašanja!

8 ISELINE: HCl, HNO 3, H 2 SO 4,... BAZE: LiOH, NaOH, OH,... SOLI: NaCl, NO 3, Li 2 SO 4,... - ISELE SOLI: NaHCO 3 - BAZNE SOLI: (CuOH) 2 SO 4 - AMFOTERNA JEDINJENJA: Zn(OH) 2 ili H 2 ZnO 2, Al(OH) 3 ili H 3 AlO 3 ( hidroksidi metala sa χ od 1,5 do 2,3) Nedostaci Arenijusove teorije: - može se primeniti samo na vodene rastvore, - ne uzima u obzir aktivnu ulogu vode u kiselo-baznom ponašanju, - ne može da objasni amfoternost jedinjenja.

9 OSIDI (klasifikacija) ISELI - anhidridi kiselina, grade ih nemetali npr. SO 2, SO 3, NO 2, P 4 O BAZNI - anhidridi baza, grade ih alkalni i zemnoalkalni metali npr. Na 2 O, CaO... AMFOTERNI - anhidridi amfoternih hidroksida npr. ZnO, Al 2 O 3, Cr 2 O 3, čak i H 2 O... NEUTRALNI - ne daju ni kiseline ni baze npr. CO, N 2 O...

10 LUISOVA TEORIJA ISELINA I BAZA (1923.) BAZA: Supstanca koja daje elektronski par pri stvaranju kovalentne veze (mora imati bar jedan slobodni elektronski par, nukleofilna čestica). Gilbert Lewis ( ) ISELINA: Supstanca koja prima elektronski par (mora imati manjak elektrona, elektrofilna čestica).

11 LUISOVE ISELINE: H +, Na +, Cu 2+, BF 3,... (jedinjenja elemenata 13. grupe, joni d-elemenata) LUISOVE BAZE: NH 3, H 2 O, CO, PH 3, OH -, Cl -, N 2 H 4, NH 2 OH... (jedinjenja i joni elemenata 15, 16. i 17. grupe) BF 3 + :NH 3 F 3 B:NH 3 BF 3 + :F - [BF 4 ] - M H 2 O [M(H 2 O) 6 ] 2+ Pri Luisovim kiselo-baznim reakcijama dolazi do stvaranja posebne vrste kovalentne veze koordinativne veze - pa se Luisova teorija koristi za reakcije gde nastaju koordinaciona jedinjenja. Luisova teorija nije ograničena samo na vodene rastvore (važi za kiselo-bazne reakcije u svim agregatnim stanjima, uz prisustvo rastvarača ili bez njega).

12 BRENŠTED-LORIJEVA (PROTOLITIČA) TEORIJA ISELINA I BAZA (1923.) ISELINA: Supstanca koja je DONOR protona (H + -jona). BAZA: Supstanca koja je ACEPTOR protona (H + -jona). Johannes Brønsted ( ) Thomas Lowry ( ) Protolitička teorija: - može se primeniti i na nevodene rastvore - voda ima aktivnu ulogu (nije samo posmatrač kao prema Arenijusu!) PROTOLIZA PRELAZA PROTONA SA ISELINE NA BAZU.

13 Još jednom AUTOJONIZACIJA VODE, ali drugačije: H + H 2 O + H 2 O H 3 O + + OH - B konjugovana konjugovana B VAŽNO: - reakcijom između kiseline i baze, nastaju (OPET) kiselina i baza (ONJUGOVANE) - kiselina i njoj odgovarajuća baza čine konjugovani par - što je kiselina (ili baza) jača, njena konjugovana baza (ili kiselina) biće slabija - ravnoteža je uvek pomerena u pravcu slabije baze (kiseline)

14 VODA: Voda je amfolit (slaba kiselina i slaba baza), pa je ravnoteža pomerena u levu stranu (tj. voda je slab elektrolit): H + H 2 O + H 2 O H 3 O + + OH - ΔH ө > 0 U čistoj vodi na 25 o C: [H 3 O + ] = [OH - ] = 1, mol dm -3 [H = + - c = 3O ][OH ] w JONSI PROIZVOD VODE t = 25 o C: w = 1, mol 2 dm -6 t = 80 o C: w = 25, mol 2 dm -6

15 ph-vrednost ISELI RASTVORI: [H 3 O + ] > [OH - ] [H 3 O + ] > 1, mol dm -3 ph < 7,00 BAZNI RASTVORI: [OH - ]> [H 3 O + ] [H 3 O + ] < 1, mol dm -3 ph > 7,00 NEUTRALNI RASTVORI: [H 3 O + ] = [OH - ] = 1, mol dm -3 ph = 7,00

16 ph-vrednost ph = -log [H 3 O + ] poh = -log [OH - ] [H 3 O + ]= 10 -ph [OH - ]= 10 -poh w = [H 3 O + ][OH + - log w = log[h3o ] + log[oh ] + log = log[h O ] log[oh w log(1, ] ) = log[h 3 O + - ] ] log[oh - ] 14,00 = ph + poh

17 JONIZACIJA ISELINA I BAZA (REACIJA ISELINA I BAZA SA VODOM) HA + H 2 O H 3 O + + A - HCl + H 2 O H 3 O + + Cl - B konj. konj. B [H O ][Cl a = 10 [ HCl] ] NaOH Na + + OH - H 2 O + NH 3 NH OH - B konj. konj. B + [ OH ][NH4 ] 5 b = = 1,8 10 [NH ] 3

18 ONSTANTE JONIZACIJE Vrednosti : ISELINA I BAZA VRLO JAA ISELINA (BAZA): 10 3 JAA ISELINA (BAZA): 10-2 < < 10 3 SLABA ISELINA (BAZA): 10-7 < < 10-2 VRLO SLABA ISELINA (BAZA): < 10-7 Zapamtiti 10-2!!! Uobičajene JAE kiseline i baze iselina Naziv kiseline Baza Naziv baze HCl hlorovodonična LiOH litijum-hidroksid HBr bromovodonična NaOH natrijum-hidroksid HI jodovodonična OH kalijum-hidroksid HNO 3 azotna Ca(OH) 2 kalcijum-hidroksid HClO 4 perhlorna Sr(OH) 2 stroncijum-hidroksid H 2 SO 4 sumporna Ba(OH) 2 barijum-hidroksid

19 Uobičajene SLABE kiseline i baze iselina Naziv kiseline Baza HF H 2 S H 2 CO 3 HNO 2 H 2 SO 3 H 3 PO 4 H 3 PO 3 CH 3 COOH HCN fluorovodonična sumporvodonična ugljena azotasta sumporasta fosforna fosforasta sirćetna cijanovodonična Sve baze koje ne grade elementi 1. i deo elemenata 2. grupe (Ca, Sr, Ba) tj. alkalni i zemnoalkalni metali p = - log Što je veća vrednost a ( b ), a manje p, to je kiselina (baza) jača, tj. ravnoteža je više pomerena u desnu stranu i favorizovana je jonizacija kiseline (baze). Važi i obrnuto: što je manja vrednost a ( b )...

20 Primeri jonizacija SLABIH kiselina i baza: HNO 2 + H 2 O NO 2- + H 3 O + CH 3 COOH + H 2 O CH 3 COO - + H 3 O + H 2 S + H 2 O HS - + H 3 O + NH 3 + H 2 O NH 4+ + OH - Cl - + H 2 O HCl + OH - HSO 4- + H 2 O H 2 SO 4 + OH -

21 Ravnoteža u rastvorima slabih kiselina (i baza) promene u okruženju Le Šatelijeov princip Promene koncentracije H 3 O + -jona Primer: jonizacija slabe kiseline CH 3 COOH + H 2 O CH 3 COO - + H 3 O + Promena Dodatak jače kiseline (raste [H 3 O + ]) Pomeranje ravnoteže levo Povećanje koncentracije kiseline (raste [CH 3 COOH]) Dodatak baze (OH - + H 3 O + H 2 O, opada [H 3 O + ]) desno desno

22 Le Šatelijeov princip Dodatak soli koja sadrži istoimeni jon (UTICAJ ISTOIMENOG JONA) CH 3 COOH(aq) + H 2 O(l) CH 3 COO - (aq) + H 3 O + (aq) NaCH 3 COO(aq) CH 3 COO - (aq) + Na + (aq) Promena Dodatak soli koja sadrži istoimeni jon raste [CH 3 COO - ] opada [H 3 O + ] raste ph Pomeranje ravnoteže levo

23 Pravilo: jaka kiselina istiskuje slabiju kiselinu iz njene soli HCl + NaCH 3 COO CH 3 COOH + NaCl NaCH 3 COO CH 3 COO - + Na + HCl H + + Cl - CH 3 COO - + H + CH 3 COOH ili obrnuto CH 3 COOH CH 3 COO - + H +

24 Pravilo: jaka baza istiskuje slabiju bazu iz njene soli NH 4 Cl + NaOH NH 3 (g) + H 2 O + NaCl NH 4 Cl NH Cl - NaOH OH - + Na + H + NH 4+ + OH - NH 3 (g) + H 2 O Laboratorijsko dobijanje NH 3 o je jači taj tlači!

25 c Veza između konstante jonizacije i stepena disocijacije (jonizacije) Stepen disocijacije (jonizacije), α: merilo jačine elektrolita HCl + H 2 O H 3 O + + Cl - [H 3 O + ] = ν c(hcl) α = c(hcl) α [Cl - ] = ν c(hcl) α = c(hcl) α [HCl] = c(hcl) - c(hcl) α = c(hcl) (1-α) c(hcl) = c a = a [H O = c α c α = c α 3 + ][Cl [ HCl] ( 1 α ) - ] 2 c α 1 α Za α < 0,02 (2 %): = c α 2 Sve vrlo slično važi i za baze!!!

26 ONSTANTE JONIZACIJE ONJUGOVANOG PARA Cl - + H 2 O HCl + OH - konj. B [H O ] b = [ HCl][OH ] [HCl][OH ] 3 w 1, = = [Cl ] [Cl ] [H3O ] a 10 NH 4+ + H 2 O NH 3 + H 3 O + konj [ NH3][H3O ] [NH3][H3O ] [OH ] w 1, = = = = 5, [NH [OH ] 4 ] [NH4 ] b 1,8 10 a = 10 = a w b = b w a w = a b

27 ONSTANTE JONIZACIJE ONJUGOVANOG PARA raste jačina kiselina iselina a onjugovana baza b HClO 4 velika ClO 4 mala HCl velika Cl mala HNO 3 velika NO 3 mala H 3 O + H 2 O HF 6, F 1, CH 3 COOH 1, CH 3 COO 5, [Al(H 2 O) 6 ] 3+ 1, [Al(H 2 O) 5 (OH)] 2+ 7, H 2 CO 3 4, HCO 3 3, HClO 2, ClO 3, NH 4 + 5, NH 3 1, HCO 3 4, CO 3 2 2, H 2 O OH C 2 H 5 OH mala C 2 H 5 O velika OH mala O 2 velika H 2 mala H velika raste jačina baza

28 ONSTANTE JONIZACIJE ONJUGOVANOG PARA raste jačina kiselina iselina a onjugovana baza b HClO 4 velika ClO 4 mala HCl velika Cl mala HNO 3 velika NO 3 mala H 3 O + 1 H 2 O HF 6, F 1, CH 3 COOH 1, CH 3 COO 5, [Al(H 2 O) 6 ] 3+ 1, [Al(H 2 O) 5 (OH)] 2+ 7, H 2 CO 3 4, HCO 3 3, HClO 2, ClO 3, NH 4 + 5, NH 3 1, HCO 3 4, CO 3 2 2, H 2 O OH 1 C 2 H 5 OH mala C 2 H 5 O velika OH mala O 2 velika H 2 mala H velika raste jačina baza

29 HEMIJSA RAVNOTEŽA U VODENIM RASTVORIMA SOLI - HIDROLIZA

30 HIDROLIZA Vodeni rastvori soli ne moraju imati neutralnu reakciju! HIDROLIZA: REACIJA SUPSTANCE (SOLI) I VODE (suprotna reakciji neutralizacije)??? ako objasniti hidrolizu??? 1. Disocijacija soli u vodi (rastvaranje) H 2 O NH 4 Cl(s) NH 4+ (aq) + Cl - (aq) katj. slaba anj. B 2. Hidroliza (ravnotežna reakcija)! NH 4+ + H 2 O NH 3 + H 3 O + a = w b = 14 1, = 5, , ,00 10 = = 10 3 < Cl - + H 2 O HCl + OH - w 17 b a Cl - -jon praktično ne hidrolizuje jer je b < 10-12!

31 3. Zaključak a > b ph(nh 4 Cl) < 7 ISELA REACIJA! NH 4 Cl hidrolizuje kiselo! jedina katjonska kiselina koja se ne piše u reakciji hidrolize kao heksaakva-kompleks jeste NH 4+ -jon! H 2 O NaCl Na + (aq) + Cl - (aq) slaba katj. slaba anj. B [Na(H 2 O) 6 ] + + H 2 O [Na(H 2 O) 5 (OH)] + H 3 O + a = 1, < Cl - + H 2 O HCl + OH - w 1, b = = < ph(nacl) 7 NEUTRALNA REACIJA! NaCl ne hidrolizuje! a

32 H 2 O Na 2 CO 3 2Na + (aq) + CO 2-3 (aq) slaba katj. jaka anj. B [Na(H 2 O) 6 ] + + H 2 O [Na(H 2 O) 5 (OH)] + H 3 O + a = 1, < CO H 2 O HCO 3- + OH - b 2, b > a ph(na 2 CO 3 ) > 7 BAZNA REACIJA! Na 2 CO 3 hidrolizuje bazno! H CuSO 4 2 O Cu 2+ (aq) + SO 2-4 (aq) katj. slaba anj. B [Cu(H 2 O) 6 ] 2+ + H 2 O [Cu(OH)(H 2 O) 5 ] + + H 3 O + a = 1, SO H 2 O HSO 4- + OH - b =8, < a > b ph(cuso 4 ) < 7 ISELA REACIJA! CuSO 4 hidrolizuje kiselo!

33 Stepen hidrolize, h, ima isti fizički smisao kao i stepen disocijacije (jonizacije), α, samo se obeležava drugim simbolom. h 2 c h = 1 h Za h < 0,02 (2 %): = c h 2 ISELOST (BAZNOST) U VODENIM RASTVORIMA SOLI SOLI JAIH ISELINA I JAIH BAZA NE HIDROLIZUJU, ph 7 SOLI JAIH ISELINA I SLABIH BAZA IMAJU ISELU REACIJU, ph < 7 SOLI JAIH BAZA I SLABIH ISELINA IMAJU BAZNU REACIJU, ph > 7 SOLI SLABIH ISELINA I SLABIH BAZA, ph =??? ( a < b ili a > b ) o je jači taj tlači!

34 AO I ZAŠTO SPREČITI - SUZBITI HIDROLIZU? Hidroliza je često nepoželjna, a suzbija se na osnovu LŠ principa i već viđenih ravnoteža. CO H 2 O HCO 3- + OH - Dodati bazu! [Cu(H 2 O) 6 ] 2+ + H 2 O [Cu(OH)(H 2 O) 5 ] + + H 3 O + Dodati kiselinu! Hidroliza je endotermna reakcija, Δ r H > 0 - Zagrevanje pomera ravnotežu udesno, h raste - Hlađenje pomera ravnotežu ulevo, h opada

35 POTPUNA HIDROLIZA Razlikujemo dva slučaja: a) hidrolizu jedinjenja sa kovalentnom polarnom vezom, b) hidrolizu soli veoma slabih kiselina i baza. a) PCl 3 + 3H 2 O H 3 PO 3 + 3HCl PCl 5 + 2H 2 O POCl 3 + 2HCl POCl 3 + 3H 2 O H 3 PO 4 + 3HCl PCl 5 + 5H 2 O H 3 PO 4 + 5HCl b) 2Al S 2- Al 2 S 3 (s) - naivno, oseća se na H 2 S! u stvari: 2Al S H 2 O 2Al(OH) 3 (s) + 3H 2 S(g) arakteristično za katjone M 3+ (Al 3+, Fe 3+, Cr 3+ ) i anjone S 2-, CO 3 2-.

36 AMFOTERNOST Takozvani amfoterni hidroksidi (videti ranije) takođe spadaju u amfolite, pa njihovo ponašanje treba opisivati pomoću protolitičkih reakcija. Takvi hidroksidi nisu dobro definisani i najbolje ih je opisati kao koloide u stanju gela sa formulom M(OH) x yh 2 O. Ipak, jednostavnosti radi, njihove formule se pišu kao [M(H 2 O) y (OH) x ]. Na primer: Zn OH - Zn(OH) 2 (s) ili bolje Zn OH - + 2H 2 O [Zn(H 2 O) 2 (OH) 2 ](s) 2H + [Zn(H 2 O) 2 (OH) 2 ](s) + 2H 3 O + [Zn(H 2 O) 4 ] H 2 O 2H + [Zn(H 2 O) 2 (OH) 2 ](s) + 2OH - [Zn(OH) 4 ] H 2 O Slično tome, Al(OH) 3 daje [Al(OH) 4 ] -, Be(OH) 2 daje [Be(OH) 4 ] 2-, Pb(OH) 2 daje [Pb(OH) 3 ] -, Sn(OH) 2 daje [Sn(OH) 3 ] -, Cr(OH) 3 daje [Cr(OH) 4 ] -. Postoji još mnogo drugih amfoternih hidroksida (videti Hemiju elemenata).

37 POLIPROTONSE (VIŠEBAZNE) ISELINE VIŠEISELE BAZE, ph-vrednost njihovih soli H 3 PO 4 + H 2 O H 2 PO 4- + H 3 O + 1 = 7, H 2 PO 4- + H 2 O HPO H 3 O + 2 = 6, HPO H 2 O PO H 3 O + 3 = 3, PARA ISELINA - ONJUGOVANA BAZA: H 3 PO 4 - H 2 PO 4 - H 2 PO 4- - HPO 4 2- HPO PO 4 3- Vrlo komplikovana situacija!

38 Udeo pojedinih vrsta u rastvoru H 3 PO 4 i njenih soli H 3 PO 4 H 2 PO 4 - HPO 4 2- PO 4 3-

39 a ISELINA w b = ONJUGOVANA BAZA a ph (NaH 2 PO 4 ) =? ph (Na 2 HPO 4 ) =? NaH 2 PO 4 i Na 2 HPO 4 SU ISELE SOLI A da li su zaista ISELE, jer su anjoni AMFOLITI??? H NaH 2 PO 4 2 O Na + (aq) + H 2 PO 4- (aq) Na + a < NE HIDROLIZUJE! H 2 PO 4- + H 2 O H 3 PO 4 + OH - w 12 b 3 B a,1 7,5 10 H 2 PO 4- + H 2 O HPO H 3 O + a = a,2 = 6, a > b = 14 1,00 10 ph(nah 2 PO 4 ) < 7 ISELA REACIJA! = = 1,3 10 OBAVEZNO ODREDITI ph(na 2 HPO 4 )!!! (BAZNA REACIJA!)

40 Do sada smo posmatrali PROTOLITIČE REACIJE (PRELAZ PROTONA SA ISELINE NA BAZU) i neke nazvali JONIZACIJA, a neke HIDROLIZA. Ostalo je da vidimo kako protolitička teorija objašnjava reakciju NEUTRALIZACIJE! lasična Arenijusovska definicija kaže da je NEUTRALIZACIJA reakcija između kiseline i baze kojom nastaju so i voda. HCl + H 2 O H 3 O + + Cl - NaOH Na + + OH - H 3 O + + Cl - + Na + + OH - Na + + Cl - + 2H 2 O H 3 O + (aq) + OH - (aq) 2H 2 O(l) Δ n Hê = -56 kj mol -1 toplota neutralizacije ombinovati sa ranijim primerom jonizacije slabe kiseline, slajd 22.

41 VOLUMETRIJSA METODA za određivanje nepoznate koncentracije kiseline ili baze - TITRACIJA H 3 O + (aq) + OH - (aq) 2H 2 O(l)

42

43 TOOM TITRACIJE NA NEI NAČIN PRATIMO PROMENE ph U SISTEMU I DOBIJAMO RIVE TITRACIJE Ordinata: ph-vrednost Jaka kiselina-jaka baza (koncentrovanije) Jaka kiselina-jaka baza (razblaženije) 100 % = ekvivalentna tačka Slaba kiselina-jaka baza Jaka baza-jaka kiselina Apscisa: zapremina rastvora titracionog sredstva, V (ml ili cm 3 )

44 iselost (baznost) određujemo i pratimo pomoću: - LAMUS PAPIRA (grubo, manje ili veće od 7) - UNIVERZALNE INDIATORSE HARTIJE (preciznije) - RASTVORA INDIATORA (grubo) - ph-metra (veoma precizno)

45 INDIATORI SLABE ORGANSE ISELINE ili SLABE ORGANSE BAZE HIn In USLOV JE DA MOLEULSI I JONSI OBLI IMAJU RAZLIČITE BOJE!!!

46 RAVNOTEŽA U VODENIM RASTVORIMA INDIATORA H + HIn + H 2 O H 3 O + + In - B BOJA 1 BOJA 2 H + In + H 2 O HIn + + OH - B BOJA 1 BOJA 2 Sve je već poznato, samo treba koristiti znanje iz pomeranja ravnoteže! Interval ph zavisi od p! INDIATORI SE PRIPREMAJU AO VEOMA RAZBLAŽENI VODENI ILI ETANOLSI RASTVORI (npr. 0,1 %), A ORISTI SE SAMO PAR API TAVOG RASTVORA!!!

47 IZBOR INDIATORA MORA SE VODITI RAČUNA O OBLIU RIVE TITRACIJE I ph-vrednosti ZAVRŠNE TAČE Jaka kiselina-jaka baza Slaba kiselina-jaka baza Na primer: HCl + NaOH NaCl + H 2 O Na primer: CH 3 COOH + NaOH NaCH 3 COO + H 2 O Tablica u Priručniku!!!

48 TITRACIJA POLIPROTONSIH ISELINA Organske kiseline??? H 3 PO 4 - dve prevojne tačke na krivoj (ph = 4,7 i ph = 9,8) A treća? 3 = 3, V 2 = 2V 1 H 2 SO 4 - samo jedna prevojna tačka na krivoj! , 2 = 1, (jaka kiselina oba puta) H 2 SO 4 + 2NaOH Na 2 SO 4 +2H 2 O