A1.6 Syre-baseligevægte
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.
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.
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.
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.
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.
- 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.
Prøv selv: Fra Ks til pKs: træn omregningen mellem Ks og pKs.