5. ΟΞΕΑ ΚΑΙ ΒΑΣΕΙΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ. Οξέα και βάσεις κατά Arrhenius

Transcript

1 5. ΟΞΕΑ ΚΑΙ ΒΑΣΕΙΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Οξέα και βάσεις κατά Arrhenius Οξέα και βάσεις κατά Brönsted Lowry Οξέα και βάσεις κατά Lewis Σχετική ισχύς οξέων και βάσεων Μοριακή δομή και ισχύς οξέων Αυτοϊοντισμός του νερού Διαλύματα ισχυρών οξέων και βάσεων Το p ενός διαλύματος

2 Οξέα και βάσεις (τρόποι διάκρισης) 1. Τα οξέα έχουν όξινη γεύση, ενώ οι βάσεις είναι πικρές. 2. Τα οξέα και οι βάσεις μεταβάλλουν το χρώμα ορισμένων χρωστικών που λέγονται δείκτες, όπως το ηλιοτρόπιο και η φαινολοφθαλεΐνη. Τα οξέα αλλάζουν το χρώμα του ηλιοτροπίου από μπλε σε κόκκινο και της φαινολοφθαλεΐνης από ροζ σε άχρωμο. Οι βάσεις προκαλούν ακριβώς τις αντίθετες χρωματικές αλλαγές. 3. Οξέα και βάσεις εξουδετερώνουν ή αντιστρέφουν τα μεν τη δράση των δε. Στη διάρκεια της εξουδετέρωσης, οξέα και βάσεις αντιδρούν μεταξύ τους παράγοντας ουσίες που ονομάζονται άλατα. 4. Τα οξέα αντιδρούν με δραστικά μέταλλα, όπως μαγνήσιο και ψευδάργυρος, ελευθερώνοντας υδρογόνο: Zn(s) 2Cl (aq) ZnCl 2 (aq) 2 (g)

3 Η 3 Ο και ΟΗ Θεωρίες αναφερόμενες στις έννοιες οξύ και βάση

4 Οξέα και βάσεις Arrhenius (πρώτη επιτυχής θεωρία περί οξέων και βάσεων): Οξέα είναι ουσίες που αυξάνουν τη συγκέντρωση των ιόντων Η 3 Ο σε ένα υδατικό διάλυμα. Βάσεις είναι ουσίες που αυξάνουν τη συγκέντρωση των ιόντων ΟΗ σε ένα υδατικό διάλυμα. Όμως, πολλές αντιδράσεις που έχουν χαρακτηριστικά αντιδράσεων οξέων βάσεων σε υδατικό διάλυμα, γίνονται και σε άλλους διαλύτες (π.χ. βενζόλιο, C 6 Η 6 ) ή και χωρίς διαλύτη. Π.χ. Cl(βενζόλιο) N 3 (βενζόλιο) N 4 Cl(s) Το υδροχλωρικό οξύ αντιδρά με υδατική αμμωνία, η οποία κατά την άποψη του Arrhenius είναι βάση επειδή αυξάνει τη συγκέντρωση των ιόντων ΟΗ σε υδατικό διάλυμα. Η αντίδραση μπορεί να γραφεί ως εξής: Cl(aq) N 3 (aq) N 4 Cl(s)

5 Οξέα και βάσεις Χλωρίδιο του υδρογόνου και αμμωνία αντιδρούν ακόμα και σε αέρια φάση: Αέρια Cl και ΝΗ 3 από τα πυκνά διαλύματά τους, που βρίσκονται στα γυάλινα δισκία, διαχέονται και αντιδρούν σχηματίζοντας ένα νέφος από χλωρίδιο του αμμωνίου. ΗCl(g) ΝΗ 3 (g) ΝΗ 4 Cl(s)

6 Οξέα και βάσεις Οι αντιδράσεις αυτές του ΗCl με ΝΗ 3 σε βενζόλιο και σε αέρια φάση, ενώ είναι όμοιες με την αντίδραση σε υδατικό διάλυμα, δεν μπορούν να ερμηνευθούν από τη θεωρία του Arrhenius και γι' αυτό χρειαζόμαστε ευρύτερες θεωρίες περί οξέων και βάσεων.

7 Οξέα και βάσεις κατά Arrhenius Οξύ κατά Arrhenius είναι η ουσία η οποία, όταν διαλύεται σε νερό, αυξάνει τη συγκέντρωση των ιόντων υδρονίου, Η 3 Ο (aq). Για απλούστευση, οι χημικοί χρησιμοποιούν συχνά τον συμβολισμό Η (aq) για το ιόν Η 3 Ο (aq) και ονομάζουν το Η (aq) ιόν υδρογόνου. Svante Arrhenius ( ) Σουηδός Χημικός (Νόμπελ Χημείας 1903) Το ιόν Η (πρωτόνιο) δεν μπορεί να υπάρξει ελεύθερο μέσα στο νερό. Το θετικό φορτίο που φέρει έλκεται από ένα ΗΖ ενός μορίου νερού και σχηματίζεται το ιόν υδρονίου ή οξονίου, Η 3 Ο : O O

8 Οξέα και βάσεις κατά Arrhenius Το ιόν υδρονίου, Η 3 Ο, συνδέεται μέσω δεσμών υδρογόνου με ένα μεταβλητό αριθμό μορίων νερού. Το ιόν υδρονίου παρουσιάζεται εδώ συνδεδεμένο μέσω δεσμών υδρογόνου με τρία μόρια νερού. Η 9 Ο 4 Το θετικό φορτίο που σημειώνεται στο κεντρικό οξυγόνο είναι κατανεμημένο σε όλο το ιόν.

9 Οξέα και βάσεις κατά Arrhenius Βάση κατά Arrhenius είναι μια ουσία η οποία, όταν διαλύεται σε νερό, αυξάνει τη συγκέντρωση των ιόντων υδροξειδίου, ΟΗ (aq). Ο ειδικός ρόλος του ιόντος υδρονίου και του ιόντος υδροξειδίου σε υδατικά διαλύματα οφείλεται στην ακόλουθη αντίδραση: Η 2 Ο( ) Η 2 Ο( ) Η 3 Ο (aq) ΟΗ (aq) Η προσθήκη οξέων και βάσεων μεταβάλλει τις συγκεντρώσεις αυτών των ιόντων στο νερό.

10 Οξέα και βάσεις κατά Arrhenius Στη θεωρία του Arrhenius, ισχυρό οξύ είναι μια ουσία η οποία ιοντίζεται πλήρως σε υδατικό διάλυμα δίνοντας Η 3 Ο (aq) και ένα ανιόν. Π.χ. το υπερχλωρικό οξύ, ΗClΟ 4 ΗClΟ 4 (aq) Η 2 Ο( ) Η 3 Ο (aq) ClO 4 (aq) Άλλα ισχυρά οξέα: 2 SO 4 (θειικό), I, Br, Cl, NO 3 (νιτρικό) Τα περισσότερα από τα υπόλοιπα οξέα που συναντούμε είναι ασθενή οξέα. Αυτά δεν ιοντίζονται πλήρως σε διάλυμα και συνυπάρχουν κατά μια αντίστροφη αντίδραση μαζί με τα αντίστοιχα ιόντα. Π.χ., η αντίδραση του οξικού οξέος είναι C 3 COO(aq) Η 2 Ο( ) C 3 COO (aq) Η 3 Ο (aq)

11 Οξέα και βάσεις κατά Arrhenius Ισχυρή βάση είναι μια ουσία η οποία ιοντίζεται πλήρως σε υδατικό διάλυμα δίνοντας ΟΗ και ένα κατιόν. Π.χ. το υδροξείδιο του νατρίου, NaO: NaO(s) 2 O Na(aq) O (aq) Άλλες ισχυρές βάσεις: LiO, KO, Ca(O) 2, Sr(O) 2, Ba(O) 2 Οι περισσότερες από τις υπόλοιπες βάσεις που συναντούμε είναι ασθενείς βάσεις. Αυτές δεν ιοντίζονται πλήρως σε διάλυμα και συνυπάρχουν κατά μια αντίθετη αντίδραση μαζί με τα αντίστοιχα ιόντα. Π.χ., η αντίδραση της αμμωνίας είναι Ν 3 (aq) Η 2 Ο( ) ΝΗ 4 (aq) ΟΗ (aq)

12 Οξέα και βάσεις κατά Arrhenius Αντίδραση εξουδετέρωσης είναι η αντίδραση ενός οξέος και μιας βάσης που καταλήγει σε μια ιοντική ένωση και πιθανώς νερό. Όταν μια βάση προστίθεται σε διάλυμα οξέος, λέμε ότι το οξύ εξουδετερώνεται. Η ιοντική ένωση που προκύπτει ως προϊόν μιας αντίδρασης εξουδετέρωσης ονομάζεται άλας. Οι περισσότερες ιοντικές ενώσεις, εκτός από τα υδροξείδια και τα οξείδια, είναι άλατα, τα οποία μπορούν να ληφθούν από αντιδράσεις εξουδετέρωσης, όπως π.χ. 2Cl(aq) Ca(O) 2 CaCl 2 (aq) 2 2 O( ) οξύ βάση άλας

13 Οξέα και βάσεις κατά Arrhenius Το σχηματιζόμενο άλας σε μια αντίδραση εξουδετέρωσης απαρτίζεται από κατιόντα που λαμβάνονται από τη βάση και ανιόντα που λαμβάνονται από το οξύ. Στο παράδειγμα, η βάση είναι το Ca(O) 2 που διαθέτει τα κατιόντα Ca 2 και το οξύ είναι το Cl που παρέχει τα ανιόντα Cl. Το άλας περιέχει ιόντα Ca 2 και Cl (CaCl 2 ). Η ίδια αντίδραση υπό ιοντική μορφή: 2Η 3 Ο (aq) 2Cl (aq) Ca 2 (aq) 2O (aq) 2Cl (aq) Ca 2 (aq) 4 2 O( ) Μετά τη διαγραφή των ιόντων θεατών Cl (aq) και Ca 2 (aq) Η 3 Ο (aq) O (aq) 2 2 O( ) Αντίδραση εξουδετέρωσης είναι ο συνδυασμός ιόντων υδρογόνου (ή υδρονίου) και ιόντων υδροξειδίου προς σχηματισμό μορίων νερού.

14 Οξέα και βάσεις κατά Arrhenius Πειραματικά βρίσκεται ότι όλες οι εξουδετερώσεις 3 O (aq) O (aq) 2 2 O( ) που περιλαμβάνουν ισχυρά οξέα έχουν το ίδιο ΔΗ ο ( 55,90 kj ανά mole Η 3 Ο ). Αυτό δείχνει ότι σε κάθε εξουδετέρωση λαμβάνει χώρα η ίδια αντίδραση, όπως προβλέπει η θεωρία του Arrhenius.

15 Άσκηση 15.1α Εξουδετέρωση βάσεως από οξύ Ποιο από τα παρακάτω είναι το άλας που σχηματίζεται από την πλήρη εξουδετέρωση υδροξειδίου του βαρίου με νιτρώδες οξύ; (α) BaNO 2, (β) Ba(NO 3 ) 2, (γ) Ba(O) 2, (δ) Ba(NO 2 ) 2, (ε) BaNO 2

16 Οξέα και βάσεις κατά Brönsted-Lowry Οξύ κατά Brönsted-Lowry (Β-L), είναι το μόριο ή το ιόν που δίνει πρωτόνιο σε μια αντίδραση μεταφοράς πρωτονίου. Βάση είναι το μόριο ή το ιόν που δέχεται το πρωτόνιο σε μια αντίδραση μεταφοράς πρωτονίου. Αντίδραση υδροχλωρικού οξέος με αμμωνία: Η 3 Ο (aq) Cl (aq) ΝΗ 3 (aq) 2 O( ) ΝΗ 4 (aq) Cl (aq) 3 O (aq) N 3 (aq) 2 O( ) Πρωτονιοδότης = οξύ Πρωτονιοδέκτης = βάση N 4 (aq) Εφαρμογή της θεωρίας Β-L σε άλλους διαλύτες: Cl(βενζόλιο) οξύ N 3 (βενζόλιο) βάση ΝΗ 4 Cl(s)

17 Οξέα και βάσεις κατά Brönsted-Lowry Σε κάθε αντιστρεπτή αντίδραση οξέος βάσης, τόσο η προς τα δεξιά όσο και η προς τα αριστερά αντίδραση εμπεριέχει μεταφορά πρωτονίου. Π.χ. η αντίδραση της ΝΗ 3 με Η 2 Ο. N 3 (aq) 2 O( ) N 4 (aq) O (aq) βάση 2 οξύ 1 οξύ 2 βάση 1 Τα χημικά είδη ΝΗ 4 και ΝΗ 3 αποτελούν ένα συζυγές ζεύγος οξέος βάσης. Ένα συζυγές ζεύγος οξέος βάσης συνίσταται από δύο χημικά είδη σε μια αντίδραση οξέος βάσης, ένα οξύ και μία βάση, τα οποία διαφέρουν κατά την απώλεια ή το κέρδος ενός πρωτονίου. Το οξύ σε ένα τέτοιο ζεύγος ονομάζεται συζυγές οξύ της βάσης, ενώ η βάση ονομάζεται συζυγής βάση του οξέος. Εδώ το ΝΗ 4 είναι το συζυγές οξύ της ΝΗ 3 και η ΝΗ 3 η συζυγής βάση του ΝΗ 4.

18 Οξέα και βάσεις κατά Brönsted-Lowry Παρουσίαση της αντίδρασης Η 3 Ο ΝΗ 3 Η 2 Ο ΝΗ 4 Η 3 Ο ΝΗ 3 Η 2 Ο ΝΗ 4 Παρατηρούμε τη μεταφορά ενός πρωτονίου, Η, από το ιόν Η 3 Ο στο μόριο ΝΗ 3. Τα ενδεικτικά φορτία των ιόντων είναι συνολικά φορτία, δηλαδή δεν πρέπει να συνδέονται με κάποια συγκεκριμένα σημεία πάνω στα ιόντα.

19 Άσκηση 15.1 Αναγνώριση των χημικών ειδών που είναι οξέα ή βάσεις Για την αντίδραση: Η 2 CΟ 3 (aq) CΝ (aq) ΗCΝ(aq) ΗCΟ 3 (aq) χαρακτηρίστε κάθε χημικό είδος ως οξύ ή βάση. Για τη βάση στα αριστερά, ποιο είναι το συζυγές οξύ;

20 Οξέα και βάσεις κατά Brönsted-Lowry Αμφιπρωτικό χημικό είδος: το χημικό είδος που περιέχει Η και μπορεί να δρα είτε ως οξύ είτε ως βάση, ανάλογα με το τί είναι το άλλο αντιδρών. Επαμφοτερίζον (γενικότερος όρος): το χημικό είδος που μπορεί να δρα είτε ως οξύ είτε ως βάση, ανάλογα με το τί είναι το άλλο αντιδρών, αλλά δεν χρειάζεται να έχει πρωτόνια. Π.χ., το Al 2 O 3, είναι ένα επαμφοτερίζον οξείδιο, επειδή αντιδρά τόσο με οξέα όσο και με βάσεις. Όμως, το Al 2 O 3 δεν είναι αμφιπρωτικό αφού δεν έχει πρωτόνια. Σημαντικός ο αμφιπρωτικός χαρακτήρας του νερού: N 3 (aq) 2 O( ) N 4 (aq) O (aq) βάση 2 οξύ 1 οξύ 2 βάση 1 C 3 COO (aq) 2 O( ) C 3 COO (aq) 3 O (aq) οξύ 1 βάση 2 βάση 1 οξύ 2

21 Αναγνώριση μιας αμφιπρωτικής ουσίας και τρόπος αντίδρασης της αμφιπρωτικής ουσίας με οξέα και βάσεις Προσδιορίστε την ουσία που είναι αμφιπρωτική και γράψτε μία εξίσωση για την αντίδρασή της με ΟΗ και μία για την αντίδρασή της με Br(aq): 2 S, SO 2, SO 3, 2 CO 3, ΝΟ 2 Αμφιπρωτική είναι η ουσία που μπορεί να δεχθεί ή να προσφέρει ένα πρωτόνιο, δηλαδή να δράσει ως βάση ή ως οξύ κατά Brönsted Lowry. 2 S και το 2 CO 3 : μπορούν μόνο να δώσουν Η είναι οξέα. SΟ 2 δεν μπορεί να δώσει Η SO 3 μπορεί και να δώσει και να δεχθεί ένα Η (αμφιπρωτικό). ΝΟ 2 μπορεί μόνο να δεχθεί ένα Η είναι βάση. SO 3 ως οξύ: Άσκηση 15.2α SO 3 (aq) O (aq) SO 3 2 (aq) 2 O( ) SO 3 ως βάση: SO 3 (aq) Br(aq) 2 SO 3 (aq) Br (aq)

22 Οξέα και βάσεις κατά Brönsted-Lowry Ποια είναι τα βασικά σημεία που δείχνουν ότι η θεωρία των Β-L είναι περισσότερο διευρυμένη από αυτή του Arrhenius; Βάση είναι το χημικό είδος που δέχεται πρωτόνια. Το ιόν ΟΗ είναι μόνο ένα παράδειγμα βάσης. Οξέα και βάσεις μπορεί να είναι ιόντα, αλλά και μοριακές ενώσεις. Οι οξεοβασικές αντιδράσεις δεν περιορίζονται σε υδατικά διαλύματα. Μερικά χημικά είδη μπορούν να δρουν είτε ως οξέα είτε ως βάσεις, ανάλογα με το τί είναι το άλλο αντιδρών.

23 Οξέα και βάσεις κατά Lewis Μπορεί η παρακάτω αντίδραση να θεωρηθεί ως οξεοβασική κατά Β-L; Na 2 O(s) SO 3 (g) Na 2 SO 4 (s) Ο Lewis σκέφθηκε ότι η θεωρία περί οξέων και βάσεων θα μπορούσε να γενικευθεί έτσι ώστε να συμπεριλάβει τις αντιδράσεις όξινων και βασικών οξειδίων, καθώς και πολλές άλλες αντιδράσεις μαζί με αυτές της μεταφοράς πρωτονίων. Σύμφωνα με αυτή την ιδέα: Οξύ κατά Lewis είναι κάθε ουσία που μπορεί να δεχθεί ένα ζεύγος ηλεκτρονίων προς σχηματισμό ομοιοπολικού δεσμού. Βάση κατά Lewis είναι κάθε ουσία που μπορεί να προσφέρει ένα ζεύγος ηλεκτρονίων προς σχηματισμό ομοιοπολικού δεσμού.

24 Οξέα και βάσεις κατά Lewis Δέκτης ΗΖ (οξύ Lewis) N Δότης ΗΖ (βάση Lewis) N Η εξουδετέρωση της αμμωνίας από υδροχλωρικό οξύ O 2 Δότης ΗΖ (βάση Lewis) O S O O Δέκτης ΗΖ (οξύ Lewis) O O S O O 2 Η αντίδραση Na 2 O με SO 3 Το ιόν Ο 2 προέρχεται από το Na 2 O

25 Οξέα και βάσεις κατά Lewis Ο ορισμός οξέος βάσεως του Lewis είναι τόσο ευρύς που χωράει και αντιδράσεις, όπως η επόμενη: F Η F Η F B N Η F B N Η F Δέκτης ΗΖ (οξύ Lewis) Η Δότης ΗΖ (βάση Lewis) F Η 3 3 O 6 Al 6 O Al Δέκτης ΗΖ (οξύ Lewis) Δότης ΗΖ (βάση Lewis) Σύμπλοκο ιόν!! Και ο σχηματισμός ενός συμπλόκου ιόντος μπορεί να θεωρηθεί ως αντίδραση οξέος βάσεως κατά Lewis

26 Άσκηση 15.2 Αναγνώριση χημικών ειδών που είναι οξέα ή βάσεις κατά Lewis Προσδιορίστε το οξύ και τη βάση κατά Lewis σε καθεμιά από τις ακόλουθες αντιδράσεις. Γράψτε τις χημικές εξισώσεις χρησιμοποιώντας δομές Lewis. (α) BF 3 C 3 O F 3 B O()C 3 (β) O 2 CO 2 CO 3 2 (α) Το άτομο Β στο BF 3 έχει sp 2 υβριδισμό και έτσι διαθέτει ένα κενό, μη υβριδικό τροχιακό 2p που μπορεί να δεχθεί ένα ζεύγος e από το Ο της C 3 O: F F B O F C 3 F B O C 3 F Δέκτης ΗΖ οξύ Lewis Δότης ΗΖ βάση Lewis F Ένωση συντάξεως

27 Σχετική ισχύς οξέων και βάσεων Η ισχύς ενός οξέος θα είναι ανάλογη του βαθμού ευκολίας με τον οποίον το οξύ χάνει ένα πρωτόνιο. Ομοίως, μια βάση θα είναι τόσο ισχυρότερη, όσο μεγαλύτερη τάση δείχνει να προσλάβει ένα πρωτόνιο. Η αντίδραση ΗCl(aq) 2 O( ) 3 O (aq) Cl (aq) είναι μετατοπισμένη πλήρως προς τα δεξιά και δείχνει ότι το ΗCl είναι ισχυρότερο οξύ από το ιόν υδρονίου, Η 3 Ο. Επίσης, είναι φανερό ότι το Η 2 Ο που δέχεται το πρωτόνιο του οξέος είναι ισχυρότερη βάση από το ιόν Cl. Παρατηρούμε ότι το ισχυρό οξύ ΗCl έχει μια ασθενή συζυγή βάση.

28 Σχετική ισχύς οξέων και βάσεων Από τα παραπάνω προκύπτουν δύο κανόνες που πρέπει να θυμόμαστε: 1. Σε κάθε αντίδραση οξέος βάσεως, η θέση ισορροπίας είναι μετατοπισμένη προς την πλευρά του ασθενέστερου οξέος και της ασθενέστερης βάσεως. 2. Όσο ισχυρότερο είναι ένα οξύ, τόσο ασθενέστερη είναι η συζυγής του βάση και, όσο ισχυρότερη είναι μια βάση, τόσο ασθενέστερο είναι το συζυγές της οξύ. Πρακτικά, για να βρω τη συζυγή βάση ενός οξέος, αφαιρώ από το οξύ ένα πρωτόνιο, ενώ για να βρω το συζυγές οξύ μιας βάσεως προσθέτω στη βάση ένα πρωτόνιο.

29 Ασθενή οξέα Αυξανόμενη ισχύς οξέων Ισχυρά οξέα Αυξανόμενη ισχύς βάσεων Σχετική ισχύς οξέων και βάσεων Οξύ Βάση ClO 4 ClO 4 2 SO 4 SO 4 I I Br Br Cl Cl NO 3 NO 3 3 O 2 O 3 PO 4 2 PO 4 NO 2 NO 2 F F C 3 COO C 3 COO 2 CO 3 CO 3 2 S S N 3 N 2 2

30 Άσκηση 15.4α Καθορισμός της σχετικής ισχύος οξέων βάσεων και πρόβλεψη θέσεως ισορροπίας Αν οι ουσίες με κόκκινο χρώμα στις ακόλουθες χημικές αντιδράσεις είναι οξέα κατά Brönsted-Lowry: 1) Συμπληρώστε τα προϊόντα τους 2) Καθορίστε τις συζυγίες οξέων-βάσεων και 3) Προβλέψτε εάν η θέση ισορροπίας σε κάθε μία είναι μετατοπισμένη προς τα δεξιά ή προς τα αριστερά. (α) 2 SO 4 (aq) N 3 (aq).. (β) 3 PO 4 (aq) NO 3 (aq).

31 Άσκηση 15.3 Πρόβλεψη για το αν μια οξεοβασική αντίδραση ευνοεί τα αντιδρώντα ή τα προϊόντα Προσδιορίστε την κατεύθυνση της ακόλουθης αντίδρασης από τη σχετική ισχύ οξέων και βάσεων. Η 2 S(aq) C 2 3 O 2 (aq) C 2 3 O 2 (aq) S (aq)