A1.6 Syre-baseligevægte

NoteDet skal du kunne
  • opskrive syrestyrkekonstanten og basestyrkekonstanten ud fra et reaktionsskema
  • beregne pH i en opløsning af en syre, der ikke er stærk, med et SÆL-skema
  • beregne pH i en opløsning af en base, der ikke er stærk
  • beregne omdannelsesgraden
  • bestemme Ks og pKs ud fra en målt pH
  • vælge fremgangsmåde ud fra, hvor stærk syren eller basen er

Når en syre reagerer med vand, er det en ligevægt som alle andre i dette kapitel. Den har en ligevægtskonstant, og den kan regnes igennem med et SÆL-skema. Det er netop den fremgangsmåde, der forventes i den skriftlige prøve. Dette afsnit repeterer det vigtigste fra kapitel B6 i bogen til B-niveau og samler det om skemaet.

Syrestyrkekonstanten

En syre, S, afgiver en hydron til vand og bliver til sin korresponderende base, B:

S(aq) + H2O(l) ⇌ B(aq) + H3O+(aq)

Ligevægten er homogen, fordi alle stofferne er i den samme opløsning. Vand er opløsningsmidlet og er ikke med i reaktionsbrøken. Ligevægtskonstanten kaldes syrestyrkekonstanten, Ks:

\[ K_\mathrm{s} = \frac{[\mathrm{B}] \cdot [\mathrm{H_3O^+}]}{[\mathrm{S}]} \]

Enheden er M. I tabeller står i stedet syrestyrkeeksponenten, pKs:

\[ \mathrm{p}K_\mathrm{s} = -\log K_\mathrm{s} \qquad\qquad K_\mathrm{s} = 10^{-\mathrm{p}K_\mathrm{s}}\ \mathrm{M} \]

Jo mindre pKs er, jo stærkere er syren. Inddelingen står i afsnit B6.3: en stærk syre har pKs under 0, en middelstærk mellem 0 og 4, en svag mellem 4 og 10 og en meget svag over 10.

Syre Formel pKs Korresponderende base
saltsyre HCl −7 Cl−
phosphorsyre H3PO4 2,15 H2PO4−
methansyre HCOOH 3,75 HCOO−
mælkesyre CH3CH(OH)COOH 3,86 CH3CH(OH)COO−
benzoesyre C6H5COOH 4,20 C6H5COO−
ethansyre CH3COOH 4,76 CH3COO−
kulsyre H2CO3 6,35 HCO3−
ammonium NH4+ 9,25 NH3
methylammonium CH3NH3+ 10,64 CH3NH2

pH i en syre, der ikke er stærk

En stærk syre reagerer fuldstændigt med vand. Så er [H3O+] lig med syrens formelle koncentration, cs, og pH = −log cs. For alle andre syrer skal ligevægten regnes igennem.

NoteEksempel: pH i mælkesyre

Mælkesyre dannes i musklerne under hårdt arbejde. Hvad er pH i 0,050 M mælkesyre? For mælkesyre er pKs = 3,86.

Reaktionsskemaet

CH3CH(OH)COOH(aq) + H2O(l) ⇌ CH3CH(OH)COO−(aq) + H3O+(aq)

Syrestyrkekonstanten

\[ K_\mathrm{s} = 10^{-3{,}86}\ \mathrm{M} = 1{,}38 \cdot 10^{-4}\ \mathrm{M} \]

Hvad er x?

x angiver her den koncentration af mælkesyre, der har afgivet en hydron, fra start og frem til ligevægt. Der dannes lige så meget af den korresponderende base og lige så meget oxonium.

Skemaet

I skemaet står mælkesyre som S og dens korresponderende base som B.

S + H2O ⇌ B + H3O+
Start 0,050 M 0 M 0 M
Ændring −x +x +x
Ligevægt 0,050 M − x x x

Ligningen

\[ K_\mathrm{s} = \frac{x \cdot x}{0{,}050\ \mathrm{M} - x} = 1{,}38 \cdot 10^{-4}\ \mathrm{M} \]

CAS-værktøjet giver x = 2,56 · 10−3 eller x = −2,70 · 10−3.

Den rigtige løsning

En koncentration kan ikke være negativ, så den negative løsning forkastes. Altså er [H3O+] = x = 2,56 · 10−3 M.

pH

\[ \mathrm{pH} = -\log[\mathrm{H_3O^+}] = -\log(2{,}56 \cdot 10^{-3}) = 2{,}59 \]

Konklusion

pH i 0,050 M mælkesyre er 2,59.

Vand er opløsningsmidlet og får ingen tal i skemaet. De oxoniumioner, der kommer fra vands selvionisering, er så få, at de regnes som 0 fra start.

Genvejen

I afsnit B6.5 lærte du genvejen pH = ½ · (pKs − log cs). Den bygger på, at x er meget mindre end cs. For mælkesyren i eksemplet giver genvejen pH = ½ · (3,86 − log(0,050)) = 2,58, altså næsten det samme. Jo stærkere syren er, og jo mere fortyndet opløsningen er, jo dårligere passer genvejen. Ligningen med x passer altid, og det er den, du skal bruge i den skriftlige prøve.

Omdannelsesgrad

Omdannelsesgraden, α, fra afsnit A1.3 er for en syre den del, der har afgivet en hydron:

\[ \alpha = \frac{x}{c_\mathrm{s}} \]

For mælkesyren i eksemplet er

\[ \alpha = \frac{2{,}56 \cdot 10^{-3}\ \mathrm{M}}{0{,}050\ \mathrm{M}} = 0{,}051 \]

Det svarer til 5,1 %. Af 1000 molekyler mælkesyre har 51 afgivet en hydron, og 949 er stadig hele molekyler. I ældre bøger hedder omdannelsesgraden hydronolysegraden eller protolysegraden.

Figur 1: Omdannelsesgraden viser, hvor stor en del af syren der har afgivet en hydron.

Omdannelsesgraden afhænger af koncentrationen. Fortyndes en svag syre, bliver omdannelsesgraden større. Det passer med Le Chateliers princip: fortynding forskyder ligevægten mod den side, der har flest opløste partikler, og det er højre side.

pH i en base, der ikke er stærk

En base, B, optager en hydron fra vand:

B(aq) + H2O(l) ⇌ S(aq) + OH−(aq)

Ligevægtskonstanten kaldes basestyrkekonstanten, Kb:

\[ K_\mathrm{b} = \frac{[\mathrm{S}] \cdot [\mathrm{OH^-}]}{[\mathrm{B}]} \]

Tabeller har som regel kun pKs for den korresponderende syre. Så findes pKb med sammenhængen fra afsnit B6.4:

\[ \mathrm{p}K_\mathrm{s} + \mathrm{p}K_\mathrm{b} = 14{,}00 \qquad \text{ved 25 °C} \]

Skemaet giver [OH−]. Derfra går vejen over pOH til pH: pOH = −log[OH−] og pH = 14,00 − pOH.

Figur 2: Regnevejen for en base går over hydroxidkoncentrationen og pOH.
NoteEksempel: pH i methylamin

Methylamin, CH3NH2, er en amin og dermed en base. Hvad er pH i 0,050 M methylamin? Den korresponderende syre, methylammonium, har pKs = 10,64.

Basestyrkekonstanten

\[ \mathrm{p}K_\mathrm{b} = 14{,}00 - 10{,}64 = 3{,}36 \qquad\qquad K_\mathrm{b} = 10^{-3{,}36}\ \mathrm{M} = 4{,}37 \cdot 10^{-4}\ \mathrm{M} \]

Reaktionsskemaet

CH3NH2(aq) + H2O(l) ⇌ CH3NH3+(aq) + OH−(aq)

Hvad er x?

x angiver her den koncentration af methylamin, der har optaget en hydron, fra start og frem til ligevægt. Der dannes lige så meget methylammonium og lige så meget hydroxid.

Skemaet

CH3NH2 + H2O ⇌ CH3NH3+ + OH−
Start 0,050 M 0 M 0 M
Ændring −x +x +x
Ligevægt 0,050 M − x x x

Ligningen

\[ K_\mathrm{b} = \frac{x \cdot x}{0{,}050\ \mathrm{M} - x} = 4{,}37 \cdot 10^{-4}\ \mathrm{M} \]

CAS-værktøjet giver x = 4,46 · 10−3 eller x = −4,90 · 10−3. Den negative løsning forkastes, så [OH−] = 4,46 · 10−3 M.

Fra hydroxid til pH

\[ \mathrm{pOH} = -\log(4{,}46 \cdot 10^{-3}) = 2{,}35 \qquad\qquad \mathrm{pH} = 14{,}00 - 2{,}35 = 11{,}65 \]

Konklusion

pH i 0,050 M methylamin er 11,65.

En base kan også være en ion i et salt. Opløses natriumethanoat i vand, er det ethanoationen, der er basen. Natriumionen reagerer ikke med vand. På samme måde er det ammoniumionen, der er syren, når ammoniumchlorid opløses. Det står i afsnit B6.4.

Fra pH til syrestyrkekonstant

Regnestykket kan også gå den anden vej. Har man målt pH i en opløsning med kendt koncentration, kan syrens styrke bestemmes.

Figur 3: Regnevejen fra en målt pH til syrestyrkekonstanten.
NoteEksempel: bestem syrestyrkekonstanten

En 0,100 M opløsning af en monohydron syre har pH 2,72. Hvad er syrens Ks og pKs?

Trin 1: koncentrationen af oxonium

\[ [\mathrm{H_3O^+}] = 10^{-\mathrm{pH}}\ \mathrm{M} = 10^{-2{,}72}\ \mathrm{M} = 1{,}91 \cdot 10^{-3}\ \mathrm{M} \]

Trin 2: skemaet

x angiver her den koncentration af syren, der har afgivet en hydron. Den er lig med [H3O+], så x = 1,91 · 10−3 M er kendt.

S + H2O ⇌ B + H3O+
Start 0,100 M 0 M 0 M
Ændring −x +x +x
Ligevægt 0,100 M − x x x

Trin 3: syrestyrkekonstanten

\[ K_\mathrm{s} = \frac{x \cdot x}{0{,}100\ \mathrm{M} - x} = \frac{\left(1{,}91 \cdot 10^{-3}\ \mathrm{M}\right)^{2}}{0{,}100\ \mathrm{M} - 1{,}91 \cdot 10^{-3}\ \mathrm{M}} = 3{,}7 \cdot 10^{-5}\ \mathrm{M} \]

\[ \mathrm{p}K_\mathrm{s} = -\log(3{,}7 \cdot 10^{-5}) = 4{,}43 \]

Konklusion

Syren har Ks = 3,7 · 10−5 M og pKs = 4,43. Det er en svag syre.

Hvilken fremgangsmåde?

Opløsningen indeholder Fremgangsmåde
en stærk syre pH = −log cs
en syre, der ikke er stærk SÆL-skema og Ks, derefter pH = −log x
en stærk base pOH = −log[OH−], derefter pH = 14,00 − pOH
en base, der ikke er stærk SÆL-skema og Kb, derefter pOH og pH
en syre og dens korresponderende base pufferligningen, se afsnit A1.7

Opløsninger af amfolytter, fx natriumhydrogencarbonat, skal du ikke kunne beregne pH i.

VigtigtTil den skriftlige prøve
  • Skriv reaktionsskemaet for syrens eller basens reaktion med vand.
  • Vis skemaet, og skriv ligningen op, før du løser den med et CAS-værktøj.
  • Skriv, hvilken af de to løsninger der er kemisk relevant, og hvorfor.
  • Angiv pH med lige så mange decimaler, som koncentrationen har betydende cifre. Til prøven godtages det også, at pH står med én decimal.
  • Opgaverne kalder en syre-basereaktion for en hydronoverførsel. De bruger også ordene selvionisering og omdannelsesgrad.
NoteKort sagt
  • En syres reaktion med vand er en ligevægt med ligevægtskonstanten Ks. For en base hedder den Kb.
  • pH i en syre, der ikke er stærk, beregnes med et SÆL-skema, hvor x er den koncentration af syren, der har afgivet en hydron.
  • For en base giver skemaet [OH−], og pH findes over pOH.
  • pKs + pKb = 14,00 for en syre og dens korresponderende base.
  • Omdannelsesgraden er x divideret med den formelle koncentration.
  • En målt pH og en kendt koncentration giver syrens Ks.

Prøv selv: Fra Ks til pKs: træn omregningen mellem Ks og pKs.