Kemi A/Syrabasreaktioner

Från Wikibooks
Hoppa till: navigering, sök
Föregående: Reaktionsformler Upp: Kemi A Nästa: Oxidation och reduktion
Formelsamling/Kemi Övningar Facit

Kemi A - Syrabasreaktioner

Syror och baser är ämnen som motverkar varandra och som finns överallt i naturen. För allt levande i naturen är det viktigt att balansen är den rätta mellan sura och basiska ämnen. Under modern tid har denna balans satts ur spel och det är först på senare tid som vi människor har börjat ta tag i problemet genom att kalka försurade sjöar och skogar och försöka minska på utsläppen av svavel, som är den viktigaste orsaken till försurningen.

I avsnittet Kemisk bindning behandlades hur elektronövergångar gör att det bildas joner, laddade partiklar. I det här avsnittet ska vi se att joner även kan bildas vid protonövergångar, dvs då en positivt laddad vätejon, H+, vandrar från ett ämne, kallat syra, till ett annat, kallat bas. En sådan protonövergång kallas för protolys och de reagerande ämnen, syrorna och baserna, kallas för protolyser. Den omvända reaktionen, då en proton går från en syra eller en bas varpå ämnena neutraliseras kallas neutralisation.

Syror[redigera]

Gemensamt för alla syror är att de innehåller partiklar som kan ge ifrån sig protoner - syror kallas protongivare. Både det ämne som före reaktionen med vatten kan avge en vätejon, H+, och den vattenlösning som efter reaktionen har upptagit vätejonen - som alltså innehåller oxoniumjoner, H3O+ - brukar kallas för syror. Det kan vara förvirrande i vissa sammanhang men vilken betydelse som avses brukar framgå av sammanhanget.

Syror känns igen på sin sura smak. Men de har också andra egenskaper gemensamma. De reagerar lätt med oädla metaller som magnesium, aluminium, zink och järn och bildar vid reaktion metalloxider och vätgas.


Bild: Kalottmodell: Varken väteklorid eller vatten leder ström. Bild: Kalottmodell: Väteklorid löst i vatten leder ström.

Varken väteklorid eller vatten leder ström var för sig. Men när de reagerar med varandra händer något.

Bild: Kalottmodell: H2O + HCl \rightarrow Bild: Kalottmodell: H3O+ + Cl-
Elektronformel: H2O + HCl \rightarrow Elektronformel: H3O+ + Cl-
H2O + HCl \rightarrow H3O+ + Cl-
...

Väteklorid, HCl, är ett exempel på en syra. För sig själv leder den inte elektricitet vilket inte heller vatten gör. När man blandar dem sker emellertid en kemisk reaktion där joner bildas vilket gör att elektronerna kan vandra genom lösningen. Reaktionen mellan väteklorid och vatten kan beskrivas så att en en proton, H+, vandrar från vätekloridmolekylen, HCl till vattenmolekylen varpå en oxoniumjon, H3O+, bildas.

En syras förmåga att leda ström beror på oxoniumjonen, H3O+ som uppstår når syran reagerar med vatten.

+motsvarande för t.ex. ättiksyra

Starka och svaga syror[redigera]

När väteklorid löses i vatten avger alla vätekloridmolekyler protoner till vattenmolekylerna och lösningen som bildas, kallad saltsyra, innehåller nästan enbart oxoniumjoner och kloridjoner. Detta gör att saltsyra leder ström mycket bra; en egenskap som utmärker starka syror.

När ättiksyra reagerar med vatten är det bara omkring 1% av ättiksyramolikylerna som avger protoner till vattenmolekylerna. Ättiksyra har alltså egenskaper som svaga syror har. Detsamma gäller för t.ex. de flesta fruktsyrorna.

En stark syra reagerar alltså starkt och en svag syra svagt i kontakt med vatten.

Vanliga syror[redigera]

Syror har många egenskaper gemensamt men det är bra att känna till de vanligaste syrornas egenskaper.

Namn Kemisk formel Aggregationsform i rumstemperatur Reagerar lätt med Namn på salter Övriga egenskaper
Väteklorid eller Saltsyra HCl Färglös gas Oädla metaller som zink, aluminium, järn

Klorider: t.ex. zinkklorid, ZnCl2, magnesiumklorid, MgCl2 och aluminiumklorid, AlCl2

 
Svavelsyra H2SO4 Färglös vätska De flesta ämnen (i koncentrerad form)

Sulfater: t.ex. kaliumsulfat, K2SO4, kopparsulfat, CuSO4
Vätesulfater: t.ex.natriumvätesulfat, NaHSO4, kalciumvätesulfat, Ca(HSO4)2

Starkt frätande
Salpetersyra HNO3 Färglös vätska De flesta ämnen, inte guld och platina

Nitrater: t.ex. kaliumnitrat, KNO3, silvernitrat, AgNO3, och bariumnitrat, Ba(NO3)2

Mycket starkt frätande
Ättiksyra HAc (egentligen CH3COOH)* Färglös vätska Organiska ämnen (?)

Acetater: t.ex. natriumacetat, NaAc, och bariumacetat, BaAc2

Vanlig i matlagning
Kolsyra H2CO3 Gas (bildas bara i kontakt med vatten)  

Karbonater: t.ex. natriumkarbonat (soda), Na2CO3, kalciumkarbonat (marmor och kalksten), CaCO3
Vätekarbonater: t.ex. natriumvätekarbonat (bikarbonat), NaHCO3 och kalciumvätekarbonat, Ca(HCO3)2

 
  • När man skriver kemiska formler utelämnar man ofta de joner som inte ingår i reaktionen. man skriver alltså ofta H+ isället för H3O+. I fallet ättiksyra ersätter man istället den långa beteckningen med förkortningen HAc som alltså betyder CH3COOH.

Baser[redigera]

Baser är sådana ämnen som innehåller partiklar som kan uppta protoner - baser kallas för protontagare. Precis som med syrorna kallas även vattenlösningarna efter en basisk reaktion - som alltså innehåller hydroxidjoner, OH-, för baser.

Exempel

ammoniak & heptan leder inte ström ammoniak & vatten leder ström

Ammoniakmolekylen tar emot en proton från vattenmolekylen och reaktionen leder alltså till att två laddade partiklar bildas: ammoniumjoner, NH4+, och hydroxidjoner, OH-. Det är det fria elektronparet i ammoniakmolekylen som binder protonen till molekylen.

+natriumhydroxid löses i vatten

När man löser natriumhydroxid, NaOH, i vatten sker ingen protolys, dvs ingen kemisk reaktion. Natriumhydroxiden är dock en jonförening och består alltså av två laddade partiklar, Na+ och OH-. I kontakt med vatten löses jonbindningen upp och jonerna kan röra sig fritt i vattnet. Ett basiskt ämne har alltså bildats.

Basernas förmåga att leda ström beror på hydroxidjonen, OH-.

Starka och svaga baser[redigera]

Precis som protolysen hos olika syror kan vara mer eller mindre fullständig, kan den på motsvarande sätt vara det även hos baserna. När ammoniak, NH3, reagerar med vatten protolyseras endast 1% av ammoniakmolekylerna. Natriumhydroxid däremot reagerar kraftigt i kontakt med vatten. ammoniak kallas därför för en svag bas och natriumhydroxid för en stark bas.

Vanliga baser[redigera]

Namn Kemisk formel Aggregationsform i rumstemperatur Reagerar lätt med Namn på salter Övriga egenskaper
Natriumhydroxid (kaustiksoda) NaOH Vitt fast ämne.     Mycket starkt frätande
Ammoniak NH3 Färglös gas   Ammoniumklorid (salmiak), NH4Cl, ammoniumnitrat, NH4NO3, och ammoniumsulfat, (NH4)2SO4 En svag bas med karaktäristisk lukt

Syrabasindikatorer[redigera]

Om man droppar citron i te gör citronsyran att teet ljusnar. Man säger att färgämnet i te fungerar som en syrabasindikator. Det finns olika syrabasindikatorer:

  • BTB (en förkortning för bromtymolblått) - en indikator som blir gul i sura lösningar och blå i basiska. I neutrala lösningar antar den blandfärgen grön.
  • Lackmuspapper - blir röd i sura lösningar och blå i basiska. I neutrala lösningar blir den violett.
  • Fenolftalein - en enfärgad indikator som blir röd i basiska lösningar och annars förblir färglös.

pH-skalan[redigera]

pH-skalan är en logaritmisk skala. En (10-)logaritm för ett visst tal är vad man ska upphöja tio med för att få just det talet. Logaritmen för 10 är alltså 1 (101 = 10), logaritmen för 100 är 2 (102 = 100) och logaritmen för 5 är ungefär 0,699 (100.699 = 5).

Ett pH värde är detsamma som den negativa logaritmen för vätejonskoncentrationen, vilket skrivs:

pH = -log [H+]

En 0,1 molar saltsyralösning, får, eftersom saltsyra protolyseras till ~100% följande pH:

pH = -log 0,1 = -(-1) = 1

Neutralisation[redigera]

Om man låter en bas reagera med en syra reagerar hydroxidjonerna, OH-, med oxoniumjonerna, H3O+ så att vatten, H2O, bildas. Detta kallas för neutralisation.

Vid neutralisation bildas ett salt.

Neutralisation sker ofta genom titrering och en syrabasindikator så att en bas droppvis tillsätts till en syra till dess indikatorn visar neutralfärg.

Autoprotolys[redigera]

Som vi sett kan vatten både uppta och avge protoner, vatten fungerar både som syra och som bas. Ämnen med denna egenskap kallas amfolyter.

Borde inte vatten i så fall reagera med sig själv? Jo, vatten reagerar faktiskt med sig själv, men bara i mycket liten omfattning. Med specialutrustning kan man mäta mycket svaga strömmar även i destillerat vatten. Det är alltså hydroxid- och oxoniumjoner i vattnet som gör att elektronerna kan ta sig fram. Eftersom det finns mycket få joner i rent vatten blir strömmen mycket svag. Denna förmåga att reagera med sig självt kallas vattnets autoprotolys.

En syrabasindikator indikerar att destillerat vatten är neutralt och det finns alltså lika många hydroxidjoner som oxoniumjoner i vatten. Faktiskt är det så att syrabasindikatorer indikerar balansen mellan hydroxid- och oxoniumjoner. Sur lösningar har alltså ett överskott på oxoniumjoner och basiska lösningar har ett överskott på hydroxidjoner. Rent vatten är neutralt eftersom dess autoprotolys uppvägs av den neutralisation som också äger rum i vatten.

Buffertlösningar[redigera]

... Mjölk är en buffertlösning. Vad den gör är att den minskar de stora sväningarna som en syra eller en bas har på ett ämne. Till exempel om man häller HCl med c=0,01 mol/dm3 i mjölk (som är en buffertlösning) ändras ph ca 0,1 steg på pH-skalan. Om vi motsatt skulle hälla i NaOH c=0,01 mol/dm3, skulle lösningen ändras med 0,1 på pH-skalan. Man kan sedan jämföra detta med om det hade varit vatten (som inte är en buffertlösning)då halterna hade stigit/sjunkit till 11 resp. 3 på pH-skalan.

Sammanfattning[redigera]

  • Partiklar som kan avge en vätejon (proton) kallas för syra.
  • Partiklar som kan uppta en vätejon (proton) kallas för bas.
  • En process som leder till en protonövergång kallas för protolys.
  • Syror och baser kallas för protolyter.
  • Syrornas egenskaper beror på oxoniumjonen (vätejonen), H3O+.
  • Syror har sur smak.
  • Syror lösta i vatten leder elektrisk ström.
  • Syror reagerar lätt med oädla metaller.
  • Starka syror avger de flesta protonerna, svaga syror bara några få.
  • Basernas egenskaper beror på hydroxidjonen, OH-.